SCI Библиотека

Предложена реализация программной платформы для создания нейросетевых моделей с их тестированием, используемых для формирования специализированных словарей автоматизированных систем. Она позволяет ускорить процесс поиска оптимального метода для разработки нейросетевой модели. В основе платформы лежит обзор существующих инструментов и методов, используемых для создания моделей анализа текстов и технологий виртуализации ПО. Авторами исследования разработана архитектура программной платформы для формирования специализированных словарей, обеспечивающая одновременное создание разных нейросетевых моделей в виртуальных контейнерах. Контейнерная виртуализация программных элементов, создающих и тестирующих нейросетевые модели, обеспечивает проведение всех математических расчетов по обработке текстовой информации, обучению и тестированию нейросетевой модели децентрализованно, параллельно и изолированно друг от друга. Обмен данными между виртуальными контейнерами, а также хранение результатов их работы осуществляются через специальную шину данных, представляющую собой дисковое пространство, к которому имеют доступ все контейнеры. Применение разработанной платформы позволит ускорить процесс поиска алгоритма создания специализированных словарей через проверку гипотез, основанных на использовании различных методов построения моделей. Ускорение процесса происходит благодаря параллельности и повторному использованию математических результатов общих этапов алгоритмов, математические расчеты которых проведены похожим алгоритмом. Это позволяет масштабировать и дробить процесс обучения за счет параллельного создания различных моделей, а также на уровне отдельных этапов создания моделей. Предложенная платформа была успешно применена для поиска локально-оптимального метода создания модели в текстах узкой тематики.

Описана методика модификации моделирования квантового алгоритма, основанная на прямом (большого объема) матричном представлении квантовых операторов. Этот подход стабилен и точен, но требует размещения матриц оператора в памяти компьютера. Поскольку размер операторов растет экспоненциально, подход полезен для моделирования квантовых алгоритмов с относительно небольшим количеством кубитов (например, приблизительно 11 кубитов на типовом компьютере). Используя его, относительно просто смоделировать работу системы контроля качества решения и выполнить анализ достоверности. Более эффективный метод быстрого моделирования контроля качества основан на вычислении всех или части операторных матриц по мере необходимости на текущей вычислительной основе. Используя данный метод, можно избежать сохранения всех или части операторных матриц. В этом случае количество кубитов, которые могут быть смоделированы (например, количество входных кубитов или количество кубитов в регистре состояния системы), влияет на экспоненциальный рост числа операций, необходимых для вычисления результата матричных произведений, и на размер вектора состояния, выделяемого в памяти компьютера. В одном из вариантов применения этого подхода целесообразно моделировать до 19 или более кубитов на типичном настольном компьютере и даже больше на системе с векторной архитектурой. Из-за особенностей процессов адресации памяти и доступа к ней в типичном настольном компьютере (например, персональный компьютер на базе Pentium), когда количество кубитов относительно невелико, подход «вычисления по требованию», как правило, эффективнее, чем подход с прямым хранением. Подход «вычисления по требованию» выигрывает благодаря применению результатов детального изучения квантовых операторов и их структуры, что позволяет более эффективно вычислять матричные элементы. В работе рассмотрено эффективное моделирование алгоритма квантового поиска Гровера на примере компьютера с классической архитектурой.

В статье рассматриваются вопросы реализации алгоритма распределения вычислительных задач по множеству распределенных вычислительных ресурсов с последующей агрегацией результатов. Данный алгоритм является ключевым в рамках проекта реализации центра обработки данных на принципах экономики совместного потребления. Прототип механизма реализован на языке Python 3.8 с применением СУБД PostgreSQL 14, система передачи сообщений - на базе RabbitMQ 3.9. В качестве платформы вычислительных узлов выступает ОС CentOS 8 Stream. Цель работы заключается в реализации масштабируемого механизма выполнения распределенных вычислений для применения в качестве основного средства распределения задач и агрегации результатов в рамках исследуемого облика центра обработки данных на принципах экономики общественного потребления. Предметом исследования являются методы резервирования и применения вычислительных мощностей, а также агрегации результатов работы программных алгоритмов. Предложенный механизм решает задачу распределения вычислений с последующей агрегацией результатов среди вычислительных узлов с различными техническими характеристиками. Реализуется интерфейс, пригодный для интеграции в клиентские информационные системы как средство выгрузки вычислений с доступом в формате REST API-шлюза. Теоретическая значимость работы заключается в комбинировании существующих принципов и идей Edge-вычислений для решения иного класса задач, где проблемой является недостаток вычислительного ресурса для задач информационной системы, а не характеристик имеющейся модели. Практическая значимость состоит в разработке прикладного инструмента применения внешних вычислительных мощностей для решения широкого класса клиентских задач. Это открывает возможность организации коммерческого взаимодействия владельцев неиспользуемых вычислительных ресурсов и владельцев информационных систем, испытывающих недостаток вычислительных мощностей.

В работе описана стратегия проектирования интеллектуальных систем управления на основе технологий квантовых и мягких вычислений. Представлен синергетический эффект квантовой самоорганизации робастной базы знаний, извлеченной из несовершенных баз знаний интеллектуального нечеткого регулятора. Разработанная технология повышает надежность интеллектуальных когнитивных систем управления в непредвиденных ситуациях управления, например, с различными типами взаимодействующих роботов. Наглядные примеры продемонстрировали эффективное внедрение схемы квантового нечеткого логического вывода в качестве готового программируемого алгоритмического решения для систем управления нижнего исполнительного уровня, встроенных в стандартную плату, а также квантовое превосходство квантового интеллектуального управления классическими объектами управления, расширяя тезис Фейнмана-Манина. Обсуждается корректная физическая интерпретация процесса управления самоорганизацией на квантовом уровне на основе квантовых информационно-термодинамических моделей обмена и извлечения квантовой (скрытой) ценной информации из/между классическими траекториями частиц в модели «рой взаимодействующих частиц». Продемонстрирован новый информационный синергетический эффект: из двух ненадежных баз знаний нечеткого регулятора в режиме реального времени создается робастная база знаний квантового нечеткого регулятора. Этот эффект имеет чисто квантовую природу и использует скрытую квантовую информацию, извлеченную из классических состояний. Обсуждаются основные физические и информационно-термодинамические аспекты модели квантового интеллектуального управления классическими объектами управления.

В работе рассматривается методология проектирования интеллектуальных когнитивных систем управления сложными динамическими системами. Кратко описаны информационные и термодинамические подходы, объединяющие однородным условием критерии динамической устойчивости, управляемости и робастности. Обозначены проблемы обучения и адаптации нечеткого регулятора, которые являются актуальными в современной теории управления. Многие существующие решения используют модели искусственных нейронных сетей, основанные на алгоритме обратного распространения ошибки, многослойной структуре Кохонена и т.д. К сожалению, подобные алгоритмы не гарантируют требуемого уровня надежности и точности управления в сложных и непредвиденных ситуациях. Предложено одно из решений проблемы разработки системы когнитивного управления. Оно заключается в поиске конструктивного решения задач проектирования баз знаний и интеллектуального робастного когнитивного управления в заданном проблемно-ориентированном приложении. Сравниваются различные типы регуляторов, в том числе интеллектуальный регулятор на основе эмоционального обучения мозга. Описаны преимущества проектирования робастных баз знаний на основе программно-алгоритмического комплекса Оптимизатор баз знаний (SCOptKBTM) на мягких вычислениях. Рассматривается одна из ключевых задач современной робототехники - разработка технологий когнитивного взаимодействия, позволяющих выполнять интеллектуальные функции управления за счет перераспределения знаний и управления на программном уровне. На практическом примере показана эффективность предложенной гибридной когнитивной системы управления, повышающей точность и надежность распознавания ментальных команд.

В первой части статьи[1] обсуждалась система оценки эмоций оператора с применением глубокого машинного обучения на основе мягких вычислений и проектирование когнитивной системы управления. Данная работа развивает подход когнитивного интеллектуального управления, описывая стратегию проектирования интеллектуальных систем когнитивного управления на основе квантовых и мягких вычислений. Продемонстрирован синергетический эффект квантовой самоорганизации базы знаний, извлеченный из не робастных баз знаний интеллектуального нечеткого регулятора. Применяется информационно-термодинамический закон квантовой самоорганизации оптимального распределения базисных качеств управления (устойчивость, управляемость и робастность) и закон квантовой информационной термодинамики о возможности извлечения дополнительной полезной работы на основе извлеченной квантовой информации, скрытой в классических состояниях. Сформированная (без нарушения второго закона квантовой термодинамики) на основе извлеченного количества скрытой квантовой информации «термодинамическая» сила управления позволяет роботу (как объекту управления) совершить количественно большую полезную работу по сравнению с количеством затраченной (на извлечение квантовой скрытой информации) работу. Гарантированное достижение цели управления роботом осуществляется на основе спроектированной интеллектуальной когнитивной системы управления с применением инструментария квантового оптимизатора баз знаний QCOptKBTM, в структуру которого включен квантовый нечеткий вывод - КНВ. Квантовый алгоритм самоорганизации не робастных баз знаний КНВ структурно опирается на синергетические эффекты от скрытой квантовой информации для осуществления реализации оптимального распределения качеств управления. Данная технология позволяет повысить надежность интеллектуальных когнитивных систем управления в ситуациях управления в условиях опасности, описанных с помощью когнитивного нейроинтерфейса и различных типов взаимодействия с роботами. Примеры продемонстрировали эффективность введения схемы КНВ в качестве готового программируемого алгоритмического решения для встраиваемых интеллектуальных систем управления. Показана возможность применения нейроинтерфейса на базе когнитивного шлема с квантовым нечетким регулятором для управления транспортным средством.

В статье представлен метод уменьшения ошибки реконструкции изображения для рентгеновской компьютерной томографии путем применения вейвлет-фильтрации зашумленных проекционных данных. Вейвлет-преобразование и основанное на нем вейвлет-фильтрация одномерных сигналов дает возможность определять конкретное место соответствия частотной и временной (в данном случае пространственной по координате детекторов) области. Это позволяет однозначно определять переход из частотной области в пространственную и обратно. Для фильтрации проекционных данных используется вейвлет-преобразование, которое дает возможность через коэффициенты, определяющие масштабирующие функции и функции вейвлетов определять в частотной и пространственной области место шума в зашумленном сигнале и осуществлять выделение не зашумленного сигнала путем назначения порогов фильтрации на вышеуказанные коэффициенты. Для усиления фильтрующих свойств вейвлет-преобразования предложено разбивать проекционные данные на интервалы, для каждого из которых определяются свои коэффициенты. Вейвлет-фильтрация проводится с использованием вейвлетов Добеши. Результаты исследований были подтверждены математическим моделированием зашумленных проекционных данных, их вейвлет-фильтрации и реконструкции по ним тестового томографического изображения. Математическая модель тестового объекта исследования и разработанный авторами программный реконструктор томографического изображения позволили осуществлять моделирование прямой (получение проекционных данных по тестовому объекту), обратной (получение тестового томографического изображения по проекционным данным объекта) задач томографии и осуществлять сравнительный анализ качества реконструкции изображения с «идеальными» и зашумленными проекционными данными.

В статье описана параллельно-конвейерная реализация решения сеточных уравнений модифицированным попеременно-треугольным итерационным методом (МПТМ), получаемых при численном решенииуравнений математической физики. Наибольшие вычислительные затраты при использовании указанного метода приходятся на этапы решения системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с нижнетреугольной и верхнетреугольной матрицами. Представлен алгоритм решения СЛАУ с нижнетреугольной матрицей на графическом ускорителе с использованием технологии NVIDIA CUDA. Для реализациипараллельно-конвейерного метода использовалась трехмерная декомпозиция расчетной области. Она делится по координате y на блоки, количество которых соответствует количеству потоковых мультипроцессоровGPU, задействованных в вычислениях. В свою очередь, блоки разделяются на фрагменты по двум пространственным координатам - x и z. Представленная графовая модель описывает взаимосвязь между соседнимифрагментами расчетной сетки и процессом конвейерного расчета. По результатам проведенных вычислительных экспериментов получена регрессионная модель, описывающая зависимость времени расчета одногошага МПТМ на GPU, вычислены ускорение и эффективность расчетов СЛАУ с нижнетреугольной матрицей параллельно-конвейерным методом на GPU при задействовании различного количества потоковыхмультипроцессоров.

В работе приведены численные результаты симуляций процесса напыления сложного оптического покрытия с использованием широкополосного контроля этого процесса в случае, когда уровень шума в измеряемом коэффициенте пропускания имеет неравномерное распределение по длине волны. Исследовано влияние на точность контроля данных на краях измеряемого диапазона длин волн, где ошибка в коэффициенте пропускания максимальна. Показано, что при удалении части данных на краях диапазона коэффициент самокомпенсации ошибок процесса напыления почти не изменяется, в то время как средняя норма вектора ошибок толщин слоев существенно снижается. Тем самым впервые показано, что учет эффекта самокомпенсации ошибок при широкополосном контроле открывает возможность обоснованного выбора оптимального для практики спектрального диапазона оптического контроля.

В статье рассматривается явно-неявная балансно-характеристическая схема CABARETI-NH (CABARET Implicit Non-Hydrostatic), основанная на схеме КАБАРЕ, для решения гиперболизированной системы уравнений Навье-Стокса. Неявность вдоль одного пространственного направления позволяет значительно увеличить шаг по времени на вычислительных сетках с большим аспектным отношением ячеек. Для разрешения введенной неявности используется метод гиперболической прогонки. Это позволяет сохранить вычислительную эффективность алгоритма на уровне явных схем. Приводятся результаты валидации модели на лабораторном эксперименте трехмерного гравитационного течения стратифицированной жидкости.