Аннотации номера

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ

625
Предмет исследования. Представлена идея объединения различных стадий производства оптических приборов в единую логическую последовательность от проектирования оптических элементов, через механическую и технологическую стадии производства, до расчета себестоимости их изготовления. Решение привлекательно тем, что можно контролировать весь процесс и экономить время и бюджет, чтобы выбрать наиболее подходящий вариант производства. Важно, чтобы эта информация была объективной, связанной с конкретным видом и объемом производства, и легко проверялась и контролировалась на начальном этапе — стадии проектирования. Метод. Предложено объединение всех этапов создания оптического прибора «под ключ», включая анализ и визуализацию вариантов оптической схемы прибора, учет механических и технологических аспектов и расчет стоимости «проект-продукт», в зависимости от объема производства, с рекомендациями по его оптимизации. Известно, что при проектировании оптических систем, особенно для обеспечения качества изображения, приближающегося к дифракционному пределу, существует несколько альтернативных схемных решений — например, варианты линз, содержащие только сферические поверхности и имеющие разное количество оптических элементов в схеме, или линзы, использующие поверхности, отличные от сферических. Основные результаты. Выполнен выбор оптимальной оптической схемы объектива и оценка возможности изготовления оптического прибора на самом раннем этапе, когда известны расчетные варианты оптической схемы, допуски на изготовление оптических элементов и объем производства. Определена стоимость изготовления оптических элементов данного устройства для различных вариантов оптической схемы. Проведено исследование альтернативных схемных решений — например, варианты линз, содержащие только сферические поверхности, имеющие различное количество оптических элементов в схеме или использующие поверхности, отличные от сферических. На стадии проектирования выбор затруднен, и в этом случае решение разрабатывается с учетом технологических процессов производства линз. Для иллюстрации использования программного средства PanDao разработаны и сопоставлены две схемы объективов с вынесенным входным зрачком, совпадающим с апертурной диафрагмой линзы: конструкция первого объектива состоит из трех сферических компонентов; второй объектив — комбинация из четырех оптических компонентов асферической конструкции. Практическая значимость. Показана возможность анализа технологичности линзовой системы на этапе оптического проектирования, а также определение оптимальной технологической последовательности изготовления оптического прибора в условиях заданного объема его производства. Моделирование технологического процесса изготовления различных оптических компонентов позволяет выбрать оптимальную производственную цепочку и оценить необходимость и цены изготовления, сборки и испытаний оборудования. Дополнительным преимуществом является расчет стоимости устройства на ранней стадии проектирования, что помогает в ряде случаев оптимизировать его оптическую схему, а иногда даже избежать стадии прототипирования. Этот подход впервые реализован в программном обеспечении PanDao и теперь доступен широкому кругу исследователей.
634
Предмет исследования. Локальное и точное управление оптическими свойствами нанокомпозитных материалов становится возможным благодаря использованию лазерного излучения в качестве инструмента для их формирования и модификации. Однако, для разработки конкретных устройств требуется знать взаимосвязи режимов лазерного воздействия со спектральными характеристиками полученных материалов, которые, как правило, связаны с размером и распределением наночастиц. В работе представлены результаты исследования влияния параметров непрерывного лазерного воздействия на спектры отражения нанокомпозитного материала на основе диоксида титана. Методы. Исследуемые образцы представляли собой тонкие мезопористые золь-гель пленки диоксида титана, нанесенные на стеклянную подложку и содержащие малые (не более 5–7 нм) наночастицы серебра. В качестве источника излучения использовался непрерывный ультрафиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Изменение спектров отражения образцов регистрировалось после лазерной обработки, в непрерывном режиме методами оптической спектрофотометрии в диапазоне длин волн 350–760 нм. Основные результаты. Записан массив лазерных треков с такими параметрами обработки как скорость сканирования и средняя мощность излучения. Каждый записанный трек обладал выраженными визуально различимыми центральной и краевой областями. Анализ экспериментальных данных показал, что в исследуемых областях, происходит смещение положения пика в спектрах отражения в диапазоне 380–440 нм. Результаты эксперимента сопоставлены с математической моделью эффективной среды в приближении Бруггемана–Бергмана. Установлено, что размеры и ширина распределения наночастиц серебра на краях и в центре лазерного трека могут отличаться. Увеличение скорости сканирования и уменьшение средней мощности излучения приводит к увеличению размеров наночастиц, что связано с изменением распределения температуры. Практическая значимость. Определены способы направленного изменения спектральных свойств тонких серебросодержащих золь-гель пленок диоксида титана при локальном управляемом лазерном облучении и связанным с ним изменении размеров наночастиц серебра в составе пленок. Полученные результаты могут найти применение в таких научных областях, как интегральная оптика, фотоника, биосенсорика, изготовлении фотокаталитических устройств и защитных меток.
642
Предмет исследования. Рассмотрен метод проектирования оптического модуля очков дополненной реальности, который содержит полупрозрачный светоделительный элемент, позволяющий наблюдать реальные предметы с наложенным дополнительным виртуальным изображением (OST HMD — optical see-through head-mounted display). Центральным элементом оптического модуля является призма, позволяющая видеть одновременно два канала: картину реального мира и наложенное на нее виртуальное изображение. В результате создается изображение дополненной реальности. Рассмотрена функциональная схема оптического модуля с введенной системой слежения за взглядом. Метод. Выполнена оптимизация поверхностей призмы, а также их наклонов и взаимного расположения при помощи Zemax OpticStudio. В основе оптимизации лежит идея использования поверхностей свободной формы, позволяющая уменьшить габариты, увеличить поле зрения и повысить качество изображения. Основные результаты. Приведены начальные параметры оптического элемента, а также алгоритм оптимизации поверхностей свободной формы, позволяющие получить сравнительно широкое поле зрения (54° по диагонали), компактность и высокие параметры качества изображения. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при проектировании и разработке очков дополненной реальности в различных областях, например: медицине, дистанционном образовании, оборонной промышленности, спорте, маркетинге.
649
Предмет исследования. Представлены результаты исследования метода поиска ключевых точек, выполненного на примере метода Scale-Invariant Feature Transform, для использования при решении задач фотограмметрической обработки снимков местности, получаемых с воздушных и космических носителей. Метод. Выбранный метод широко используется для решения задач пространственной привязки изображений, отслеживания изменений и поиска объектов, построения цифровых моделей и ортофотопланов местности. Актуальность анализа метода обусловлена тем, что он изначально разрабатывался как универсальный метод для обработки изображений в области технического зрения. Существующие модификации рассматриваемого метода, специализированные под обработку снимков местности, применяются на практике ограниченно и исследованы без полного учета свойств изображений. В существующих исследованиях не учтено влияние изображенного сюжета на качество поиска ключевых точек, который в общем случае характеризуется случайным сочетанием изображений объектов местности. Предполагается, что особенности сюжета на изображении местности при использовании метода поиска ключевых точек могут обуславливать существенные вариации в распределении выбираемых точек по изображению отдельного снимка. Для определения зависимости качества поиска ключевых точек от изображенного сюжета необходима разработка методики, основанной на анализе особенностей реализации метода и использовании набора эталонных изображений с разным сюжетным составом. В результате анализа содержания данного метода определены критерии и параметры отбраковки определяемых ключевых точек. В основе подхода к анализу влияния сюжета изображения на качество ключевых точек предложено использовать набор снимков, классифицированных по особенностям сюжетов на однородные и неоднородные изображения. Согласно предложенной методике, анализ выполняется на основе статистического и пространственного распределений ключе- вых точек, полученных по отдельным изображениям и их совокупностям. Основные результаты. Предложена методика исследования зависимости качества результата поиска ключевых точек от сюжета на изображении. В результате выполнения эксперимента выявлены факторы, вызывающие нарушение равномерности пространственного распределения ключевых точек при использовании стандартного критерия отбраковки ключевых точек. Практическая значимость. Полученные результаты позволяют, с одной стороны, обосновать необходимость разработки сюжетно-ориентированного подхода к обработке снимков местности с использованием методов поиска ключевых точек в силу того, что для выполнения и уточнения пространственной привязки изображений требуется обеспечивать равномерность расположения ключевых точек, используемых в качестве опорных или связующих точек. С другой стороны, выявлено, что нарушение плотности расположения ключевых точек может определяться неравномерным качеством изображения по полю кадра. Такое явление связано, в частности, с разной резкостью изображения в центральной и периферийной зонах.

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ БУМАГИ ИЗ ВТОРИЧНОГО СЫРЬЯ МЕТОДОМ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ
Бабаханова Х. А., Галимова З. К., Абдуназаров М. М., Исмоилов И. И.
661
Рассмотрены вопросы высокоточного контроля параметров выпускаемой бумажной продукции, в составе которой вторичное сырье. Предложен метод атомно-силовой микроскопии для исследования шероховатости бумаги. При использовании сканирующего зондового микроскопа Solver HV выполнена визуализация полученных топографических изображений поверхности каждого вида исследуемой бумаги, определена средняя шероховатость перепадов высот для каждого типа бумаги. Результаты сопоставлены с требованиями государственного стандарта и международными рекомендациями. Показано, что применение сканирующей зондовой микроскопии позволяет проводить экспресс-контроль параметров целлюлозной бумажной продукции при ее производстве. При экспресс-анализе шероховатости методом атомно-силовой микроскопии появляется возможность целенаправленного управления технологическим процессом и создания новых видов бумажной продукции с заданными свойствами, обеспечивающими графическую точность печати без потерь мелких деталей изображения.

КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

667
Предмет исследования. Предложен простой и эффективный метод выбора гиперпараметров при решении классификационной проблемы методами машинного обучения. Метод работает с любыми гиперпараметрами вещественного типа, значения которых лежат внутри известного вещественного параметрического компакта. Метод. Внутри параметрического компакта генерируется случайная выборка (пробная сеть) сравнительно небольшого объема, для каждого элемента которой вычисляется эффективность выбора гиперпараметров согласно специальному критерию. Эффективность оценивается величиной некоторого вещественного скаляра, который принципиально не зависит от порога классификации. Таким образом, формируется выборка регрессии, регрессорами которой являются случайные наборы гиперпараметров из параметрического компакта, а значениями регрессии – соответствующие этим наборам значения показателя эффективности классификации. На основании полученной выборки строится непараметрическая аппроксимация этой регрессии. На следующем этапе, используя метод оптимизации Нелдера–Мида, определяется минимальное значение построенной аппроксимации для регрессионной функции на параметрическом компакте. Аргументы минимального значения регрессии являются приближенным решением поставленной задачи. Основные результаты. В отличие от традиционных, предложенный подход основан на непараметрической аппроксимации функции регрессии: набор гиперпараметров — значение показателя эффективности классификации. Особое внимание уделено выбору критерия качества классификации. За счет использования аппроксимации упомянутого типа имеется возможность исследования поведения показателя эффективности вне значений пробной сетки. Как следует из проведенных экспериментов на различных базах данных, предложенный подход обеспечивает существенный прирост эффективности выбора гиперпараметров по сравнению с базовыми вариантами и одновременно сохраняет практически приемлемую работоспособность даже для малых значений мощности пробного множества. Новизна подхода заключена    в одновременном использовании: непараметрической аппроксимации для функции регрессии, которая связывает значения гиперпараметров с соответствующими им величинами критерия качества; выборе критерия качества классификации и метода поиска глобального экстремума этой функции. Практическая значимость. Предложенный алгоритм выбора гиперпараметров может быть использован в любых системах, основанных на принципе машинного обучения. Например, в системах управления технологическими процессами, биометрических системах и системах машинного зрения.
677
 Предмет исследования. Рассмотрены вопросы проектирования средств диагностирования нарушений в адресации информационных обменов между программными модулями для потоковых вычислительных систем реального времени. Несмотря на декомпозицию процессов проектирования в таких системах, вопросы диагностирования и повышения отказоустойчивости остаются актуальными для каждого уровня иерархии. Метод. Предлагаемые процедуры синтеза иерархической модели потоковой вычислительной системы являются развитием метода тестового диагностирования на основе использования параллельной модели. Основные результаты. Приведено краткое описание подхода к тестовому диагностированию на основе параллельной модели. Разработан алгоритм синтеза иерархической диагностической модели. Модель обеспечивает минимизацию количества диагностической информации, передаваемой по каналам обмена, снижая уровень вводимой избыточности и повышая тем самым уровень надежности. Практическая значимость. Разработанная иерархическая модель позволяет существенно сокращать время проектирования средств диагностирования за счет снижения необходимого ко- личества диагностических алгоритмов.
683
Предмет исследования. Несбалансированность классов в наборах данных негативно влияет на системы машинной классификации, применяемые в таких приложениях искусственного интеллекта как медицинская диагностика заболеваний, обнаружение обмана и управление рисками. Эта проблема в наборах данных выражений лиц также ухудшает эффективность алгоритмов классификации. Метод. Рассмотрены основные подходы для уменьшения дисбаланса классов: методы повторной выборки и установление весов классам в зависимости от количества наблюдаемых образцов для каждого класса. Для локализации области лица в потоке кадров использован метод гистограммы направленных градиентов, и применена активная модель формы, которая обнаруживает координаты 68 ключевых ориентиров лица. C помощью координат ключевых ориентиров извлекаются информативные признаки, характеризующие динамику выражений лиц. Основные результаты. Результаты исследования показали, что предложенный подход извлечения визуальных признаков повышает точность распознавания эмоций по выражениям лиц. Рассмотренные методы уменьшения дисбаланса классов в наборе данных выражений лиц позволили повысить эффективность машинного классификатора, а также показали, что имеющийся дисбаланс классов в обучающем наборе оказывает значительное влияние на точность. Практическая значимость. Предложенный подход извлечения визуальных признаков может быть использован в автоматических системах распознавания эмоций человека по выражениям лиц, а анализ результатов применения методов уменьшения дисбаланса классов данных может быть полезен исследователям в области машинного обучения.
692
Предмет исследования. Проведено исследование работы протокола CSMA/CA для управления доступом к беспроводной среде передачи данных средствами среды имитационного моделирования OMNET++ с исполь- зованием фреймворка INET. Выполнен анализ работы протокола в двух режимах: с подтверждением принятых пакетов и без подтверждения. Метод. При проведении исследования использовался метод имитационного мо- делирования и анализа. В процессе моделирования средой OMNET++ генерируются статистические данные, и строится временная диаграмма. Полученные данные анализируются, дается объяснение поведения каждого шага работы модели, после чего делается общий вывод о результате имитационного моделирования. Основные результаты. Представлен подход к исследованию работы протокола CSMA/CA на примере имитационной модели беспроводной сети, в которой в структуру всех ее узлов включен модуль «CsmaCaMac» из состава фреймворка INET. Показана возможность интегрирования этого модуля без существенного изменения модели узлов. Приведены основные результаты анализа статистических данных и временных диаграмм, полученных в ходе имитационного моделирования, и доказана необходимость использования протокола управления доступом к среде передачи данных. Практическая значимость. Рассмотренный подход можно использовать для разра- ботки и тестирования новых протоколов управления доступом к среде передачи данных или для демонстрации работы существующих протоколов в образовательных целях.
701
Предмет исследования. В области теории эволюционных алгоритмов в настоящее время становится акту- альным анализ не только времени их работы, но и динамики. Двумя наиболее распространенными методами анализа динамики являются: анализ достижимой приспособленности при ограничении на время работы (fixed- budget analysis) и анализ времени работы, необходимого для достижения заданной цели (fixed-target analysis). До сих пор теоретические исследования систематически выполнялись только для первого из них. Настоящая работа направлена на устранение этого недостатка. Метод. Доказана теорема о том, что если для комбинации эволюционного алгоритма и задачи оптимизации ранее были доказаны оценки времени работы с помощью так называемого метода уровней приспособленности, то из необходимых для этого предпосылок автоматически следуют оценки динамики работы эволюционного алгоритма для рассматриваемой задачи. Основные результаты. В результате применения данной теоремы получены верхние оценки времени работы, которое необходимо для достижения заданной цели следующих пар алгоритмов и задач: эволюционные алгоритмы семейства (1 + 1) на задачах LeadingOnes и OneMax, эволюционный алгоритм (μ + 1) на задаче OneMax. Данные оценки повторяют или уточняют существующие результаты, но получают их существенно более простым способом. Практическая значимость. Результаты работы позволяют упростить получение оценок динамики работы эволюционных алгоритмов. Подобные оценки являются более содержательным критерием для выбора эволюционного алгоритма с целью решения практической задачи, чем оценка времени нахождения оптимального решения, так как последнее на практике чаще всего недостижимо.
708
Предмет исследования. Исследование встроенного программного обеспечения на предмет наличия дефектов безопасности может быть затруднено применением различных приемов антиотладки (шифрование) и упаков- щиков кода (сжатия). Представлен обзор существующих инструментов для определения методов антиотладки. Недостатки существующих решений заключаются в применении сигнатурных методов анализа исполняемых файлов, что ограничивает область их применения количеством известных сигнатур. Существующие статисти- ческие методы, основанные на энтропийном анализе файлов, дают неоднозначный результат. Для определения способа преобразования данных предложен метод обнаружения упакованных и зашифрованных данных в исполняемом файле встроенного программного обеспечения. Метод. Экземпляр встроенного программного обеспечения представляется в виде конечной последовательности байтов, где каждый байт может принимать одно из 256 возможных значений. Предложенный метод совмещает подходы, основанные на использовании критерия согласия Пирсона для проверки гипотезы о равномерном распределении байтов в файле, а также применение метода Монте-Карло для аппроксимации числа π с целью вычисления характеристик распределе- ния байтов в файле. Чем выше точность аппроксимации числа π и чем ближе распределение байтов в файле   к равномерному, тем вероятнее применение алгоритмов шифрования для преобразования данных. Основные результаты. Показано, что предложенные критерии более чувствительны к отклонениям равномерно распре- деленной случайной величины, чем энтропийный анализ. Применение этих подходов к экспериментальной выборке файлов с различным размером, которые были подвергнуты различным алгоритмам сжатия/шифрова- ния, показало корреляции, благодаря которым, с высокой степенью уверенности, можно утверждать, какому алгоритму (сжатия или шифрования) было подвергнуто встроенное программного обеспечение. Практическая значимость. Представлен подход для определения упакованных и зашифрованных данных, полученных в ре- зультате использования различных приемов антиотладки. Предложенный метод применим как в рамках анализа вредоносного программного обеспечения, так и в рамках поиска и идентификации дефектов безопасности во встроенном программном обеспечении.
714
Предмет исследования. Исследованы существующие подходы и методы поиска клонов в программном коде. В результате исследования разработан метод, реализующий семантический подход поиска дублированных фрагментов, направленный на поиск клонов всех типов. Метод. Разработанный метод основан на анализе построенного по файлам исходного кода графа зависимостей программы. Для обнаружения дублированных фрагментов для каждого файла исходного кода генерируются графы зависимостей программы, узлы которых хешируются на основе свойств их содержимого. Пара узлов выбирается из каждого класса эквивалентности. Два изоморфных подграфа, которые включают в себя пару узлов, идентифицируются. Если пара клонов включена в другую пару, она удаляется из набора обнаруженных пар дублированных фрагментов. Набор клонов генерируется из пар дублированных фрагментов, совместно использующих те же изоморфные подграфы. Таким образом, происходит расширение пар клонов. Основные результаты. Для оценки эффективности работы разработанного метода поиска клонов проведено сравнение файлов для определения типов клонов, которые обнаруживает система, использующая данный метод, и тестирование работы на компонентах реальной системы. Выполнено сравнение результатов работы разработанной системы с реально существующими. Практическая значимость. Предложенный метод позволяет автоматизировать анализ исходных файлов. Поиск клонов в программном коде является приоритетным направлением в анализе кода. Обнаружение дублированных фрагментов позволяет бороться с недобросовестным копированием программного кода.
722
Предмет исследования. Рассмотрены популярные протоколы прикладного уровня для устройств интернета вещей, использующиеся в сетях. Выполнен сравнительный анализ протоколов в контексте использования ресурсов сети и надежности передачи данных, выявлены их достоинства и недостатки применительно к использованию для передачи данных в системах интернета вещей. Проведен обзор аппаратных платформ для построения устройств интернета вещей. Большой практический интерес для создания оконечных устройств интернета вещей могут представлять SoC-системы, объединяющие на одном полупроводниковом кристалле вычислительный модуль, периферийные устройства и устройства связи. Метод. Предложен подход к построению конфигурируемого оконечного устройства интернета вещей на основе SoC-системы ESP8266. Для связи устройств с сервером управления и сбора данных применен протокол MQTT, который позволяет экономить ресурсы сети и логическим и иерархическим образом разделять устройства интернета вещей в сети. Предложена простая архитектура плат- формы на основе открытого программного обеспечения OpenHAB, MQTT-брокера Eclipse Mosquitto и протокола MQTT для объединения устройств интернета вещей в сеть. Преимуществом предложенного подхода является использование шаблонов приложений IoT-устройств. Основные результаты. Разработаны шаблоны приложе- ний сенсора и актуатора, конфигурируемые посредством WEB-интерфейса. Реализован режим точки доступа для начальной настройки устройства. Получены зависимости времени отправки и приема MQTT-сообщения в зависимости от его длины, измерено время отклика устройства на сетевые запросы и потери сетевых пакетов и MQTT-сообщений. Практическая значимость. На основе шаблона приложений созданы устройства умного светильника, моторизированных штор, датчиков освещенности, сенсор газового состава (углекислый газ, метан), сенсор температуры, давления и влажности. Измерены параметры полученных устройств, характеризующие время обработки сообщений. Построен стенд, объединяющий созданные устройства. Преимуществом использованного подхода является возможность поддержки большого количества разнообразных внешних устройств и быстрота создания нового устройства на основе готового шаблона приложения. Показано, что использованный в работе подход позволяет создавать оконечные устройства интернета вещей с приемлемыми эксплуатационными характеристиками.
ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТЬ БЕСПРОВОДНЫХ ПЕРСОНАЛЬНЫХ СЕТЕЙ В УСЛОВИЯХ ЦИФРОВОГО ПРОИЗВОДСТВА
Афанасьев М. Я., Федосов Ю. В., Крылова А. А., Шорохов С. А., Зименко К. В.
729
Предмет исследования. Исследовано влияния факторов производственной среды на беспроводные персональные сети. Представлена их классификация, определена помехозащищенность беспроводных персональных сетей на примере реального производства. Метод. Предложен способ оценки помехозащищенности на основе показателя уровня принимаемого сигнала, значения которого можно получить нативно с любых приемников  и передатчиков, что делает этот способ доступным по сравнению с использованием сетевых анализаторов и другого специализированного оборудования. В проводимом эксперименте приемник и передатчик располагались друг от друга на разных расстояниях в диапазоне 0,5–25 м. Акт передачи проводился поочередно под влиянием каждого из факторов производственной среды. Измеренные значения показателя уровня принимаемого сигнала анализировались и преобразовывались в максимально допустимое расстояние между приемником и передатчиком в соответствии с предложенным способом. Основные результаты. Получены данные о влиянии производственной среды на помехозащищенность беспроводных персональных сетей, к которым относятся: опоясывающие толстостенные стальные препятствия, сварочные аппараты и сети аналогичного частотного диапазона. Сделан вывод о том, что влияние не настолько значительное, чтобы отказываться от применения беспроводных персональных сетей, так как воздействие многих факторов может быть нивелировано применением ячеистой топологии и плотным расположением приемников и передатчиков. Практическая значимость. Результаты работы особенно интересны в контексте цифровизации производства, где из-за требования к гибкости и мобильности производственного процесса беспроводной способ передачи данных с датчиков полевого уровня становится предпочтительнее проводного.
739
Предмет исследования. Выполнено исследование в области распределенного глубокого обучения — сверточной нейронной сети на кластере компьютеров с ограниченными вычислительными ресурсами. Рассмотрена общая архитектура и особенности сверточной нейронной сети, а также проанализированы существующие ограничения, которые возникают при их развертывании, основанные на таких архитектурах как LeNet, AlexNet, VGG-16/ VGG-19. Развертывание распределенной сверточной нейронной сети на устройствах с ограниченными вычис- лительными ресурсами все еще является одной из трудоемких задач, где не имеется готовых решений. Метод. Предложен метод разделения карт признаков сверточной нейронной сети на блоки, где каждый блок соответствует определенной задаче. Представлена общая схема распределения задач для пересекающихся данных. Основные результаты. Разработана модель распределенной сверточной нейронной сети для кластера компьютеров с ограниченными вычислительными ресурсами, а также модель планировщика задач для пересекающихся данных при выполнении вычислений преимущественно на сверточном слое, так как данный слой является одним из самых ресурсоемких, содержащих большое количество гиперпараметров. Практическая значимость. Разработка распределенной системы на базе предложенных методов позволит развернуть распределенное машинное обучение, в частности, сверточную нейронную сеть на кластере из 24 одноплатных компьютеров RockPro64, где возможно выполнение различных задач в области машинного зрения, обработки естественного языка, прогнозирования и др., что может быть использовано в граничных вычислениях (edge computing).
747
Предмет исследования. Рассмотрена задача определения аутентичности трафика на основании данных цифровых отпечатков реализаций сетевых протоколов. Показаны способы описания цифровых отпечатков сетевых протоколов и характерные изменения исходных цифровых отпечатков в процессе передачи по различным каналам связи. Исследована возможность выявления использования средств анонимизации, обнаружения атак типа Man-in-the-Middle, вредоносных программ на основе анализа используемых цифровых отпечатков реализаций протоколов. Предложены способы совершенствования формата записи цифровых отпечатков для исключения коллизий отпечатков. Метод. Признаки каждой реализации существующего или потенциально возможного протокола передачи информации могут быть описаны цифровым отпечатком этой реализации и идентифицированы принимающей стороной. Оборудование связи на пути передачи информации может быть вынуждено менять некоторые из исходных параметров в силу своих внутренних ограничений или ограничений передающей среды. Принимающая сторона на основе предварительно подготовленных списков цифровых отпечатков идентифицирует текущую реализацию протокола передающей стороны с учетом допустимых характерных изменений узлами на пути следования передаваемых данных. Сравнивая исходный цифровой отпечаток с отпечатком, полученным сервером по определенным наборам параметров, принимающая сторона делает предположения о способах передачи данных, использовании клиентом средств анонимизации или стороннем вмешательстве в процесс передачи. На основе полученной в результате сопоставления цифровых отпечатков информации принимающая сторона принимает решение о возможности ведения сеансов связи с текущим отправителем. На протяжении всех сеансов связи с текущим отправителем получатель контролирует неизменность исходного цифрового отпечатка протокола активными и пассивными методами. Основные результаты. В ходе исследования продемонстрирована возможность определения способов сетевого подключения, средств анонимизации, подключения от потенциально опасной реализации на примере mitmproxy. Практическая значимость. Автоматизированный анализ цифровых отпечатков клиентских реализаций сетевых протоколов позволяет выявлять входящие соединения вредоносных приложений, сетевых роботов, факты использования клиентом средств анонимизации. Определение вредоносных реализаций по их цифровым отпечаткам является возможным не только на принимающей стороне, но и на всем участке сети по пути следования пакетов, что делает возможным блокировку таких соединений на границе сетей.
755
Предмет исследования. Исследованы подходы к решению задачи оценки характеристик процесса на примере задачи прогнозирования характеристик активности пользователей в компьютерных онлайн-играх. Рассмотрены методы машинного обучения и определены потенциальные преимущества алгоритмов кластеризации в применении к рассматриваемой задаче. Исследованы различные метрики качества алгоритмов кластеризации. Метод. На основе гипотезы, возникшей в ходе предварительного анализа данных о пользовательской активности, разработан подход к оценке характеристик процесса, использующий кластеризацию. Собраны данные об активности пользователей, для которых уже известны значения прогнозируемых характеристик. Каждый пользователь представлен в виде пары векторов: первый вектор составлен из его характеристик в первые дни активности, второй – из прогнозируемых характеристик. Векторы, представляющие пользователей в первые дни активности, используются в качестве обучающей выборки для алгоритма K-средних. За подбор параметра K отвечает специально разработанный функционал энтропийного вида, адекватный исследуемой задаче. Выделенным кластерам ставятся в соответствие усредненные по попавшим в них пользователям векторы прогнозируемых характеристик. Эти соответствия используются в качестве прогнозов характеристик для новых пользователей. Основные результаты. Предложен ориентированный на рассмотренный тип данных метод оценки качества кластеризации, позволяющий выбрать наиболее подходящее для целевой задачи число кластеров. Проведен численный эксперимент, демонстрирующий применимость разработанного метода. Практическая значимость. Применение предложенного подхода позволяет прогнозировать одновременно несколько характеристик пользователей компьютерных онлайн-игр, и, таким образом, решать различные прикладные задачи планирования и аналитики, возникающие в ходе разработки. Например, изложенный в статье метод был использован в задачах анализа окупаемости разработки новых игровых элементов и прогнозирования нагрузки на серверы с целью заблаговременного наращивания мощностей. Его преимуществами являются отсутствие необходимости экспертной разметки обучающей выборки и относительно невысокие требования к вычислительным мощностям – в силу низкой вычислительной сложности функционала качества для подбора гиперпараметра K.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

761
Рассмотрена задача разработки конструкции мультистрочного дисплея Брайля. В качестве актуаторов использованы биполярные двухфазные шаговые двигатели с планетарной передачей и винтовым редуктором. В отличие от известных аналогов в предлагаемой модели конструкции реализована возможность использования меньшего количества актуаторов, чем актуируемых точек Брайля. Это достигается за счет фиксирования положения каждой точки механическим элементом (защелкой). Даже при отключении электроэнергии отображенная информация не исчезает. Актуаторы требуют электропитания только в момент изменения состояния точки, что позволяет сократить расход электроэнергии. Представленная модель дисплея отличается от существующих тем, что позво- ляет отображать одновременно более одной строки (любое заданное количество строк). Обновление страницы текста происходит построчно. При этом каждая точка фиксируется механически, благодаря использованию многоканальной неполноприводной системы управления. Разработана 3D-модель устройства мультистрочного дисплея Брайля.

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ СТИМУЛЯЦИИ РОСТА РАСТЕНИЙ
Филина В. С., Севостьянова Н. Н., Даниловских М. Г.
767
Предмет исследования. Представлено описание технологии лазерной стимуляции капусты кольраби в условиях Северо-Запада России. В результате воздействия лазерного излучения происходит активация генетического потенциала растений. Метод. В основе метода лежит возбуждающее действие излучения лазера с длиной волны 650 нм на фитохромы растений. Вследствие облучения происходит ускорение синтеза белка и углеводов, которое приводит к увеличению урожайности. Облучение проводилось в ночное время суток полупроводниковым лазером с длиной волны 650 нм, мощностью излучения 150 мВт, продолжительностью облучения 30 с. Основные результаты. В результате облучения общее количество белка в собранных стеблеплодах кольраби в образцах опытной группы было выше на 6 %, углеводов — на 27 %, а средняя масса стеблеплода на 30 % выше соответствующих показателей образцов контрольной группы. Практическая значимость. Предлагаемая технология позволяет снизить применение химических средств стимуляции роста и защиты растений и перейти к повышению рентабельности производства растениеводческой продукции и улучшению ее качества.
770
Предмет исследования. В работе предложен подход к анализу цифровых последовательностей сигналов, харак- теризующих функционирование киберфизических систем. Предлагаемое решение сочетает в себе совокупность методов машинного обучения при анализе разнородных внешних данных цифровых сигналов, поступающих от различных датчиков системы. Метод. Для анализа цифровых сигналов исследованы методы на основе ис- кусственных нейронных сетей и алгоритма k-ближайших соседей. Основные результаты. Проверка предла- гаемого подхода произведена c использованием полученных в эксперименте сигналов цифрового трехосевого акселерометра, расположенного на прототипе беспилотного транспортного средства. Обработка цифровых сигналов исследуемыми методами произведена в среде MATLAB R2020a. При проведении сравнения точности исследованных методов алгоритм k-ближайших соседей достиг значения 96,1 %, в то время как искусственные нейронные сети показали результат 95,0 %. Практическая значимость. Предложенный подход позволяет с приемлемой точностью обнаруживать риски нарушений информационной безопасности киберфизических систем и может использоваться в системах мониторинга состояния объектов.
Информация 2001-2020 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика