Том 22, № 6 (2023)
Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний
Мониторинг надежности пользовательских вычислительных устройств в режиме реального времени: систематическое отображение
Аннотация
Данный исследовательский обзор сосредоточен на мониторинге надежности вычислительных систем в режиме реального времени на стороне пользователя. В условиях гетерогенной и распределенной вычислительной среды, где отсутствует централизованный контроль, исследуется использование моделей искусственного интеллекта для поддержки процессов принятия решений в мониторинге надежности системы. Методология исследования основана на систематическом отображении предыдущих исследований, опубликованных в научных базах данных IEEE и Scopus. Анализ проведен на основе 50 научных статей, опубликованных с 2013 по 2022 годы, показал растущий научный интерес к данной области. Основное применение исследуемого метода связано с сетевыми технологиями и здравоохранением. Данный метод нацелен на интеграцию сети медицинских сенсоров и управляющих данных с пользовательскими вычислительными устройствами. Однако этот метод также применяется в промышленном и экологическом мониторинге. Выводы исследования показывают, что мониторинг надежности пользовательских вычислительных устройств в режиме реального времени находится на начальной стадии развития. Он не имеет стандартов, но за последние два года приобрел значительное значение и интерес. Большинство исследуемых статей сосредоточены на методах сбора данных с использованием уведомлений для поддержки централизованных стратегий принятия решений. Однако, существует множество возможностей для дальнейшего развития данного метода, таких как совместимость данных, федеративные и совместные модели принятия решений, формализация экспериментального дизайна, суверенитет данных, систематизация базы данных для использования предыдущих знаний и опыта, стратегии калибровки и повторной корректировки для источников данных.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1243-1295
1243-1295
Сбалансированная система обнаружения вторжений для беспроводных сенсорных сетей в среде больших данных с использованием модели CNN-SVM
Аннотация
Беспроводные сенсорные сети (WSN) подвергались нескольким различным проблемам безопасности и атакам, связанным со сбором и отправкой данных. В этом сценарии одной из наиболее распространенных атак WSN, которая может быть нацелена на любой уровень стека протоколов, является атака типа «отказ в обслуживании» (DoS). Текущее исследование предлагает различные стратегии обнаружения атаки в сети. Однако у него есть проблемы с классификацией. Поэтому в этом исследовании для решения этой проблемы была предложена эффективная система обнаружения вторжений на основе ансамблевого глубокого обучения для выявления атак в сети WSN. Предварительная обработка данных включает преобразование качественных данных в числовые с использованием метода One-Hot Encoding. После этого был проведен процесс нормализации. Затем предлагается выбрать лучшее подмножество функций с помощью Manta-Ray Foraging Optimization. Затем метод передискретизации синтетического меньшинства (SMOTE) создает новую выборку меньшинства для балансировки обработанного набора данных. Наконец, предлагается классификатор CNN-SVM для классификации видов атак. Метрики Точность, F-мера, Прецизионность и Отзыв использовались для оценки результатов 99,75%, 99,21%, 100% и 99,6% соответственно. По сравнению с существующими подходами предложенный метод оказался чрезвычайно эффективным при обнаружении DoS-атак в WSN.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1296-1322
1296-1322
Алгоритм построения дерева синтаксических единиц русскоязычного предложения по дереву синтаксических связей
Аннотация
Автоматический синтаксический анализ предложения — одна из важных задач компьютерной лингвистики. В настоящее время для русского языка отсутствуют общедоступные и пригодные для практического применения анализаторы синтаксической структуры. Создание таких анализаторов «с нуля» требует составления корпуса деревьев, размеченного в соответствии с заданной формальной грамматикой, что представляет собой крайне трудоёмкую задачу. Однако, поскольку для русского языка существует несколько анализаторов синтаксических связей, представляется полезным использовать результаты их работы для анализа синтаксической структуры предложений. В настоящей работе предлагается алгоритм, позволяющий построить дерево синтаксических единиц русскоязычного предложения по данному дереву синтаксических связей. Алгоритм использует грамматику, сформулированную в соответствии с классическим справочником Д.Э. Розенталя. Приведены результаты экспериментов по оценке качества работы предложенного алгоритма на корпусе из 300 предложений на русском языке. 200 предложений были выбраны из вышеупомянутого справочника и 100 из открытого корпуса публицистических текстов OpenCorpora. В ходе экспериментов предложения подавались на вход анализаторов из состава библиотек Stanza, SpaCy и Natasha, после чего полученные деревья синтаксических связей обрабатывались предложенным алгоритмом. Полученные в результате обработки деревья синтаксических единиц сравнивались с размеченными вручную экспертами-филологами. Наилучшее качество было получено при использовании анализатора синтаксических связей из библиотеки Stanza: F1-мера построения синтаксических единиц составила 0.85, а точность определения членов предложения — 0.93, чего должно быть достаточно для решения многих практических задач в таких областях, как извлечение событий, информационный поиск, анализ тональности.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1323-1353
1323-1353
Робототехника, автоматизация и системы управления
Примитивы движения робота в задаче планирования траектории с кинематическими ограничениями
Аннотация
Автоматическое планирование траектории – актуальная научно-техническая задача, решения которой востребованы во многих областях: беспилотный транспорт, роботизированная логистика, социальная робототехника и т.д. Зачастую при планировании траектории необходимо учитывать тот факт, что агент (робот, беспилотный автомобиль и др.) не может произвольно менять ориентацию при движении, другими словами – необходимо учитывать кинематические ограничения при планировании. Одним из широко-распространенных подходов к решению этой задачи является подход, опирающийся на конструирование траектории из заранее подготовленных фрагментов, примитивов движения, каждый из которых в свою очередь удовлетворяет кинематическим ограничениям. Зачастую, акцент при разработке методов, реализующих этот подход, делается на сокращении перебора вариантов при планировании (эвристический поиск), при этом сам набор доступных примитивов считается заданным извне. В этой же работе, мы наоборот ставим своей целью провести исследование и анализ влияния различных доступных примитивов движения на качество решения задачи планирования при фиксированном алгоритме поиска. В частности, рассматриваются 3 различных набора примитивов движения для колесного робота с дифференциальным приводом. В качестве алгоритма поиска используется известный в искусственном интеллекте и робототехнике алгоритм A*. Качество решения оценивается по 6 метрикам, включая время планирования, длину и кривизну результирующей траектории. На основании проведенного исследования делаются выводы о факторах, оказывающих наибольшее влияние на результат планирования, и даются рекомендации по построению примитивов движения, использование которых позволяет достичь баланса между скоростью работы алгоритма планирования и качеством отыскиваемых траекторий.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1354-1386
1354-1386
Применение гармонических полуволн для автоматизации управления высокоскоростными поездами
Аннотация
Процессы экстренного торможения в Европейской системе управления поездами (European Train Control System (ETCS)) связаны со ступенчатым регулированием ускорения (замедления) в зависимости от способности торможения поезда, данных рельефа и меняющейся погоды на маршруте движения. Эти процессы являются определяющими в ETCS. Процедура ступенчатого регулирования замедления осуществляется машинистом многократно в процессе торможения до полной остановки поезда. Начало экстренного торможения и его окончание, а так же сам процесс торможения сопровождается многократным импульсным срабатыванием тормозов, что приводит к скачкам замедления и, соответственно, к повышенному износу тормозной системы, снижению комфорта для пассажиров, из чего следует ограничение максимально допустимой скорости движения. В статье предложена новая концепция и методика построения математических моделей кривых экстренного торможения отличных от кривых ETCS и основанных на гармонических полуволнах. Показано, что кривые торможения ETCS описываются известными степенными полуволнами второго порядка. Совместное их исследование даёт основание утверждать, что применение этих кривых приводит к обязательному импульсному режиму срабатывания тормозов. Предложены два новых варианта моделей кривых экстренного торможения, описываемых гармоническими полуволнами. Первый вариант имеет одно импульсное срабатывание тормозов в конце интервала торможения. Второй вариант свободен от тормозных импульсов и позволяет использовать непрерывное регулирование. Эти модели объясняют особенности ETCS, содержат предложения по их устранению, применимы для разработки новых кривых экстренного торможения, которые позволяют плавно осуществлять экстренное торможение поездов. Работоспособность, отличия и преимущества перед кривыми торможения ETCS показаны на результатах математического моделирования процессов экстренного торможения.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1387-1414
1387-1414
Математическое моделирование и прикладная математика
Математическое моделирование процессов выполнения пакетов заданий в конвейерных системах с промежуточными буферами ограниченных размеров
Аннотация
Современные методы планирования процессов в конвейерных системах с буферами определенного размера между обрабатывающими приборами позволяют оптимизировать расписания выполнения единичных заданий либо фиксированных пакетов заданий при их ограниченном количестве и ограниченном количестве приборов. Применение математических моделей процессов выполнения единичных заданий (пакетов заданий), используемых этими методами, при оптимизации составов пакетов и расписаний их выполнения в системах с произвольным количеством пакетов и приборов является невозможным. В то же время математические модели процессов выполнения пакетов заданий в конвейерных системах при наличии буферов ограниченных размеров между приборами являются основой для разработки методов оптимизации их (пакетов) составов и расписаний реализации действий с ними на приборах конвейерных систем. В связи с этим в статье разработаны математические модели многостадийных процессов выполнения произвольного количества пакетов заданий в конвейерных системах при наличии промежуточных буферов ограниченных размеров для двух и трех приборов, а также для произвольного количества приборов. Использование этих моделей позволяет определять моменты времени начала выполнения пакетов заданий на приборах конвейерных систем с учетом ограниченных размеров промежуточных буферов, а также длительности интервалов времени использования этих ресурсов и эффективность их использования в течение времени. Также разработан алгоритм математического моделирования процессов выполнения пакетов заданий в конвейерных системах при наличии промежуточных буферов ограниченных размеров, осуществляющий на основе заданного порядка реализации действий с пакетами заданий на приборах конвейерных систем вычисление временных характеристик этих процессов. Осуществлена разработка приложения, реализующего синтезированные математические модели процессов выполнения пакетов заданий в конвейерных системах с промежуточными буферами ограниченных размеров и соответствующий метод моделирования этих процессов. Разностороннее тестирование разработанного приложения показало, что полученные математические модели и метод моделирования адекватно описывают ход многостадийных процессов выполнения пакетов заданий в конвейерных системах, задаваемый с использованием различных значений их (процессов) параметров.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1415-1450
1415-1450
О частичной устойчивости нелинейных дискретных систем с запаздыванием
Аннотация
Рассматривается система нелинейных дискретных (конечно-разностных) уравнений общего вида с ограниченным запаздыванием. Интерес к задачам устойчивости таких систем в последние годы значительно возрос; в частности, это связано с актуальными проблемами управления через сеть. В основном анализируется задача устойчивости по всем переменным нулевого положения равновесия, поскольку заменой переменных к такой задаче сводится задача устойчивости по всем переменным любого решения рассматриваемой системы. Одним из основных методов исследования является дискретно-функциональный вариант прямого метода Ляпунова, получивший существенное развитие в теоретическом и прикладном аспектах. В данной статье предполагается, что рассматриваемая система уравнений допускает «частичное» (нулевое) положение равновесия, и ставится задача устойчивости по отношению к части определяющих это положение равновесия переменных. Такая задача относится к более общим задачам частичной устойчивости, которые исследуются для нелинейных динамических систем различной формы математического описания. Предложенная постановка задачи частичной устойчивости дополняет круг указанных исследований применительно к классу рассматриваемых систем. Для решения поставленной задачи применяется метод функционалов Ляпунова – Красовского в пространстве дискретных функций при соответствующей конкретизации требований к функционалам. Ослабления таких требований можно добиться введением дополнительных дискретных функций, посредством которых: 1) проводится корректировка области функционального пространства, где строятся функционалы Ляпунова – Красовского; 2) находятся оценки функционалов и их разностей (приращений) в силу рассматриваемой системы. В результате используемые функционалы и их разности (приращения) могут быть знакопеременными в области функционального пространства, обычно рассматриваемой при анализе частичной устойчивости. На основе предложенного подхода получены достаточные условия частичной устойчивости (асимптотической устойчивости) указанного вида. Особенности подхода показаны на примере двух классов нелинейных систем заданной структуры, для которых частичная устойчивости анализируется в пространстве параметров. При этом обращается внимание на целесообразность использования семейства функционалов.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1451-1472
1451-1472
Аппроксимация временных рядов индексов вегетации (NDVI и EVI) для мониторинга сельхозкультур (посевов) Хабаровского края
Аннотация
Аппроксимация рядов сезонного хода индексов вегетации является основой для эффективного мониторинга сельскохозяйственных культур, их идентификации и автоматизированной классификации пахотных земель. Для пахотных земель Хабаровского края в период с мая по октябрь 2021 года по мультиспектральным снимкам Sentinel-2A (20 м) с использованием маски облачности были построены временные ряды NDVI и EVI. Для приближения временных рядов были использованы пять видов аппроксимирующих функций: функция Гаусса; двойная гауссиана; двойная синусоида; ряд Фурье; двойная логистическая. Были построены и рассчитаны характеристики экстремумов аппроксимированных временных рядов для разных типов пахотных земель: гречихи, многолетних трав, сои, залежи и пара. Было показано, что для каждой сельхозкультуры аппроксимированные кривые сезонного хода имели характерный вид. Как было достоверно установлено (p<0,05), наиболее высокую точность аппроксимации рядов NDVI и EVI показал ряд Фурье (средняя ошибка составила, соответственно, 8,5% и 16,0%). Аппроксимация рядов NDVI с использованием двойной синусоиды, двойной гауссианы и двойной логистической функции приводила к увеличению ошибки до 8,9-10,6%. Аппроксимация рядов EVI на основе двойной гауссианы и двойной синусоиды способствовала росту средней ошибки до 18,3-18,5%. Проведенный апостериорный анализ с использованием критерия Тьюки показал, что для полей с соей, парующих и залежных земель для приближения индексов вегетации достоверно лучше использовать ряд Фурье, двойную гауссиану или двойную синусоиду, для полей с гречихой целесообразно применять ряд Фурье или двойную гауссиану. В целом, средняя ошибка аппроксимации сезонных временных рядов NDVI в 1,5-4 раза меньше, чем ошибка аппроксимации рядов EVI.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1473-1498
1473-1498
Прогнозирование на фондовых рынках с использованием формализма статистической механики
Аннотация
Аналитически исследована возможность и целесообразность прогнозирования на фондовых рынках с помощью методов и подходов статистической механики. Аппарат статистической механики применен для анализа и прогноза одного из важнейших показателей рынка – распределения логарифмической доходности. В качестве исходной модели использована модель Лотки-Вольтерра, применяемая в экологии для описания систем типа «хищник-жертва». Она адекватно аппроксимирует динамику рынка. В статье использована ее гамильтоновость, позволяющая применить аппарат статистической механики. Аппарат статистической механики (с использованием принципа максимальной энтропии) позволяет реализовать вероятностный подход, который адаптирован к условиям неопределенности фондового рынка. Канонические переменные гамильтониана представлены в виде логарифмов цен акций и облигаций, совместная функция распределения вероятности цен акций и облигаций получена в виде распределения Гиббса. Больцмановский фактор, входящий в распределение Гиббса, позволяет оценить вероятность появления тех или иных цен на акции и облигации и получить аналитическое выражение для вычисления логарифмической доходности, дающее более точные результаты, чем широко используемое нормальное (Гауссово) распределение. По своим характеристикам полученное распределение напоминает распределение Лапласа. Вычислены основные характеристики полученного распределения – среднее значение, дисперсия, асимметрия, эксцесс. Математические результаты представлены графически. Дано объяснение причинно-следственного механизма, вызывающего изменение доходности рынка. Для этого развита идея Теодора Модиса о конкуренции между акциями и облигациями за внимание и деньги инвесторов (по аналогии с оборотом биомассы в моделях типа «хищник-жертва» в биологии). Результаты исследования представляют интерес для инвесторов, теоретиков и практиков фондового рынка. Они позволяют принимать продуманные и взвешенные решения по инвестированию за счет более реального представления об ожидаемой доходности и более адекватной оценки инвестиционного риска.
Информатика и автоматизация. 2023;22(6):1499-1541
1499-1541