Успехи кибернетики

Памяти Учителя — к 90-летию профессора В. А. Тупчиева

Редакция — 2025-03-31

О выборе классов корректности

В. А. Галкин — 2025-03-31

предложен общий топологический подход для анализа широкого класса обратных задач, возникающих при обработке потоков информации. Типичной проблемой, появляющейся при их решении на основе априорного задания топологий в пространстве множества допустимых решений и исходных данных (информации), является некорректность, связанная с отсутствием непрерывности обратного оператора. В теории методов решения некорректных задач широко применяется метод регуляризации А.Н. Тихонова. В работе предлагается подход к выделению классов корректности для решения обратных задач, основанный на согласовании топологий множества исходных данных и обобщения понятия пространства решений, обеспечивающий непрерывную зависимость решения от исходных данных. Рассмотрены классы корректности, основанные на принципе выбора Цермело. Предлагаемый подход может быть использован при построении устойчивых искусственных нейронных сетей (ИНС) для задач распознавания образов. Возможно его распространение на технологии построения систем искусственного интеллекта (ИИ).

Влияние пресинаптических синапсов на распознающую способность нейронной сети

Б. В. Крыжановский — 2025-03-31

исследованы свойства нейронной сети в случае, когда ранг тензора связей выше двух, т.е. помимо матрицы синаптических связей присутствуют пресинаптические синапсы. Такого рода тензоры связи имеют место при аппаратной реализации нейронной сети на основе кроссбаров. Неотъемлемым свойством кроссбарной схемы является наличие паразитных токов: сигнал с одной шины, идущей на некоторый нейрон, перетекает через ячейки памяти (синапсы) на шины всех других нейронов. Тем самым на входной сигнал нейрона накладывается шум — ослабленные сигналы, идущие на все остальные нейроны. При этом проводимость аналоговой кроссбарной ячейки изменяется пропорционально шумовому сигналу и выходной сигнал ячейки приобретает нелинейный по входу характер. Показано, что при определенном виде тензора связей качество нейросетевого алгоритма значительно улучшается. Анализ проведен на примере сети, подобной сети Хопфилда.

Моделирование цунами на базе персонального компьютера

М. М. Лаврентьев — 2025-03-31

в работе представлены архитектуры аппаратных ускорителей для численного решения нелинейной системы уравнений мелкой воды для работы в составе персонального компьютера или автономно. Достигнутая производительность расчетов позволила провести численные эксперименты по изучению трансокеанских цунами. Предложена концепция корректировки параметров источника после получения данных о профиле волны с глубоководного датчика давления. За счет оптимизации вычислительного конвейера (реализация конечно-разностной схемы МакКормака, имеющей второй порядок аппроксимации) за один такт получаются значения искомых величин в узлах сетки на семи последовательных шагах по времени. При использования микросхемы Xilinx Virtex-7 VC709 в качестве со-процессора персонального компьютера на расчетной сетке из 9601×6781 узлов для выполнения 36 тысяч шагов по времени с интервалом в 3 сек (то есть для моделирования 30 часов распространения волны) требуется всего 1352 сек (то есть 22.5 минуты). Приводятся результаты сравнения получаемого численного решения с известными точными решениями, исследование зависимости расчетов от используемых глобальных батиметрических банков данных и обосновывается возможность применения метода вложенных сеток. Применение предложенной технологии предоставляет исследователям новые возможности в изучении явления цунами.

Интерполяция облака точек (нерегулярной сетки) с помощью кубических треугольников Безье (curved point-normal triangles)

А. Л. Леготин — 2025-03-31

интерполяция из облака точек (данных, расположенных нерегулярным образом) важна для многих аспектов научной деятельности и практического применения. В статье рассматривается алгоритм интерполяции на нерегулярной сетке с помощью параметризованного кубического треугольника Безье. Уделяется внимание проблеме выбора нормалей вершин поверхности.

Искусственный интеллект и перспективы его реализации на В-компьютерах

Г. Е. Деев — 2025-03-31

в статье рассматривается перспектива развития вычислительной техники и искусственного интеллекта (ИИ), связанных с В-технологией, которая использует иной принцип работы, чем А-технология, применяемая в современной компьютерной технике. В-технология позволяет создавать вычислительные устройства для любой системы счисления, обеспечивает максимальную надежность и скорость вычислений, а также имеет упрощенную элементную базу. В-компьютеры обладают замечательными свойствами, такими как насыщенность устройствами для вычисления большого набора функций и наличие устройства с варьируемой структурой (УВС) для создания новых вычислительных устройств внутри компьютера.
В-компьютеры, как и нейронные сети, способны синтезировать вычислительные устройства по фрагментам отображений, причем, в отличие от нейронных сетей, синтезированное устройство оказывается полностью известным, а, значит, известным является и отображение, связанное с ним.
В-компьютеры способны к саморазвитию, к неограниченному увеличению своей вычислительной мощи, причем, не только за счет улучшения технических параметров, но и за счет способности внутри себя создавать вычислительные устройства.

Неявные сообщества в сетях и информационное воздействие

А. А. Чеповский — 2025-03-31

в настоящей работе авторы изучают проблему как оценки качества выделения неявных сообществ на графе, полученном при импорте данных из социальных сетей и мессенджеров, так и методов анализа таких сетей на предмет выявления информационного воздействия на их акторов. Рассматриваются два подхода к оценке корректности разбиения графа на сообщества. Первый способ оценки основан на методах теории информации и заключается в подсчете нормализованной взаимной информации (NMI) и асимметрично-нормализованной взаимной информации (ANRMI). В рамках второго подхода рассмотрены три метода оценки качества выделения неявных сообществ, основанные на анализе текстовых массивов сопоставленных сообществ. Определяются и сравниваются коэффициенты попарной ранговой корреляции для словарей разных текстовых массивов. Применяется анализ соответствий для исследования корпусов текстов сообществ. Третий метод анализа заключается в подсчете психолингвистических характеристик текстовых массивов неявных сообществ. На примерах реальных данных показана применимость методов исследования для оценки качества разбиений графа взаимодействующих объектов социальных сетей и мессенджеров на сообщества и анализа информационного воздействия в такой сети.

Математическое моделирование коллективного поведения роя миниатюрных роботов

К. В. Костарев — 2025-03-31

в данной работе представлена двумерная математическая модель коллективного поведения роя миниатюрных роботов. Габариты, масса и ряд необходимых характеристик были установлены согласно экспериментальным данным. Роботы представлены в виде совокупности дискретных тел, взаимодействующих друг с другом в соответствии с эффективным потенциалом, вид которого зависит от взаимодействия сенсоров и излучателей с микроконтроллером. Каждый робот является источником тепла и при этом следует в направлении градиента глобального температурного поля. Для расчета температуры используется двумерное уравнение теплопроводности. Представлены результаты численного моделирования взаимодействия от нескольких штук до 500 роботов. Разработанная программа позволяет воспроизводить различные механизмы самоорганизации и коллективного поведения, например, самосборку роя роботов, находящихся на расстоянии. Для оптимизации времени выполнения применяется программно-аппаратная архитектура параллельных вычислений Nvidia CUDA. Для визуализации полученных данных использована программа gnuplot.

Компьютерное моделирование полной энергии двухатомной молекулы кремния в первом порядке теории возмущений

Ю. Н. Штанов — 2025-03-31

разработана компьютерная программа, которая предназначена для моделирования полной энергии двухатомной молекулы с помощью волновых функций, которые аппроксимируют решения уравнения Хартри–Фока для изолированных атомов. В работе выполнено моделирование полной энергии двухатомной молекулы кремния с помощью метода компьютерного моделирования в первом порядке теории возмущений, параметры которого найдены с помощью численного решения самосогласованной системы уравнений.

Эффект усиления начального магнитного поля в модели геодинамо

И. В. Бычин — 2025-03-31

в гидромагнитном динамо магнитное поле генерируется механизмом самовозбуждения, который заключается в том, что определенные конфигурации течений проводящей жидкости могут усиливать слабое начальное магнитное поле, а затем поддерживать его в стационарном или квазистационарном состоянии, препятствуя затуханию. Представляется важным продемострировать эффект усиления магнитного поля методами вычислительной магнитной гидродинамики. В данной работе рассматривается модель геодинамо с вакуумными граничными условиями для магнитного поля на внешней границе сферического слоя. Определяющими задачу безразмерными параметрами являются: Pr — число Прандтля, Pm — магнитное число Прандтля, E — число Экмана и Ra* — модифицированное число Релея. Начальный уровень магнитного поля определяется параметром Λ, числом Эльзассера. Вычислительные эксперименты проводились с помощью разработанного авторами МГД-кода, адаптированного для работы на гибридных вычислительных системах с графическими процессорами. В коде реализован конечно-объемный метод решения задач резистивной магнитной гидродинамики вязкой несжимаемой жидкости. В качестве начального магнитного поля рассматривалось слабое (Λ = 10⁻²) однородное магнитное поле, направленное вдоль оси вращения сферического слоя. При проведении вычислительных экспериментов для значений, определяющих задачу параметров Pr = 1, Pm = 5, E = 5·10⁻⁴, Ra* = 200, получено квазистационарное решение, в котором начальный уровень энергии магнитного поля в процессе генерации возрастает на три порядка. В полученном решении поля температуры и скорости симметричны относительно экваториальной плоскости, а во внешнем магнитном поле преобладает дипольная составляющая.

Квантовое сингулярное разложение

И. А. Суров — 2025-03-31

используемое в искусственных нейронных сетях вещественное исчисление описывает амплитуды нервных сигналов, игнорируя их фазы — важнейшую группу параметров, управляющую композицией когнитивных волн биологического мозга. Для снятия связанных с этим ограничений в статье представлена комплекснозначная модификация сингулярного разложения, являющегося прообразом тензорной алгебры современных нейросетей. При этом диагональная матрица сингулярных значений обобщается до самосопряженной матрицы, аналогичной матрице плотности квантовой теории. Добавляемые таким образом недиагональные элементы учитывают нестационарную алгоритмику породившей моделируемые данные поведенческой системы в малоразмерном «семантическом» пространстве. Как и в обычном сингулярном разложении, эта «скрытая» алгоритмика разворачивается в пространство наблюдаемых событий домножением матрицы плотности на пару ортогональных действительных матриц. Полученная матрица комплекснозначных амплитуд порождает наблюдаемые действительные данные посредством квадратного модуля аналогично квантовому правилу Борна. По сравнению с обычным сингулярным разложением, на небольших случайно сгенерированных матрицах разработанный метод существенно повышает точность аппроксимации ценой небольшого увеличения числа параметров. Это преимущество обусловлено эффективностью квантово-волновых принципов обработки информации в естественном мышлении, выраженных в представленной алгебре. Разработанный метод открывает новые возможности для семантического анализа данных, а также для совершенствования современных нейросетевых архитектур.

Оценка применимости метода разрывных смещений в задачах роста и взаимодействия криволинейных трещин

Д. А. Пестов — 2025-03-31

в работе исследована применимость численных методов на основе метода разрывных смещений к моделированию роста криволинейных трещин в условиях сложного нагружения или взаимодействия трещин. Исследовано влияние разрешения численного метода и точности аппроксимации коэффициентов интенсивности напряжений на точность прогнозирования траектории роста трещины. Рассмотрен метод, имеющий малую вычислительную сложность в предположениях линейной упругости среды, плоского деформированного состояния, а также при условиях квазистатического роста трещин. В качестве численного метода выбран метод разрывных смещений нулевого порядка точности и аппроксимация коэффициентов интенсивности напряжений через значения разрывов смещений в элементах, ближайших к кончику. Показана высокая точность определения коэффициентов интенсивности напряжений для случаев одиночной трещины. Для случая нескольких трещин получены оценки применимости метода: высокая точность аппроксимации коэффициентов интенсивности напряжений достигается при расстоянии между трещинами, превосходящем размер граничного элемента. Показано совпадение численно рассчитанной траектории роста с экспериментальной для образца из оргстекла. Показана слабая зависимость траектории трещины от размера граничного элемента, а также от величины приращения ее длины на каждом шаге при квазистатическом росте. Показана устойчивость траектории трещины к малым отклонениям при наличии перепада напряжений. На основе полученных результатов сделан вывод о границах применимости методов нулевого порядка к задачам о росте криволинейных трещин.

Анализ отечественных программных средств по двумерному и трехмерному проектированию в учебном процессе

Т. Г. Бурдыко — 2025-03-31

в статье рассматривается использование отечественного программного обеспечения для создания чертежей на компьютере, что облегчает усвоение учащимися основных положений чтения и выполнения моделей и сборочных единиц, а также умение применять знания при решении задач с творческим содержанием.

Современные проблемы биокибернетики

В. М. Еськов — 2025-03-31

в 1999 году В. Л. Гинзбург представил фундаментальную статью о проблемах физики и астрофизики. В ней он особым образом поднимает проблему тоталитаризма в науке. При этом Гинзбург говорит о лысенковщине, которая не просто представила интенсивное направление в науке, но и вызвала ярую негативную реакцию на ряд других (новых) наук. Речь идет в первую очередь о генетике и кибернетике, которые тогда объявили «лженауками» и, политически, преследовали ученых. Удивительно, но история с кибернетикой, тоже с биокибернетикой, повторилась. Сейчас активно отрицаются (или замалчиваются) работы Н. А. Бернштейна, W. Weaver и эффект Еськова-Зинченко. Фактически игнорируются научные факты, которые могут дать для биомедицины, психологии, экологии даже больше, чем дали генетика и кибернетика. Что это за факты, и о какой новой науке говорил Weaver, и говорится в нашем сообщении. Ответы на эти вопросы мы и представляем.

Анализ проблемы эффективности контроля технического состояния автотранспорта на предприятиях в условиях ограниченного времени

Д. В. Федотов — 2025-03-31

в статье рассматриваются современные подходы к контролю технического состояния автотранспортных средств с акцентом на внедрение риск-ориентированных методов. Представлены основные проблемы, связанные с ограничением времени на осмотр, нехваткой данных о предыдущих проверках и координации действий между сотрудниками. Предложены методы оптимизации контроля, включающие использование алгоритмов прогнозирования отказов и автоматизированных систем диагностики. Проведен сравнительный анализ временных затрат и эффективности предложенных решений. Представленные выводы позволяют предприятиям минимизировать затраты на диагностику, повысить безопасность эксплуатации автотранспортных средств и улучшить производственные показатели.

Модель взаимодействия и конкуренции между двумя видами автономных агентов

В. Г. Редько — 2025-03-31

в этой работе строится и исследуется модель взаимодействия между двумя видами автономных агентов. В модели предполагается, что в клеточном мире «живут» два вида агентов: сильные агенты-хищники и относительно слабые мирные агенты. Мирные агенты в обычной жизни не нападают на других агентов, но они способны коллективно противодействовать отдельным хищникам. Мирные агенты занимают определенный участок освоенной ими территории, территории своего коллектива. Каждый агент имеет свой ресурс. Имеются порции пищи мирных агентов. Съедая порцию пищи, мирный агент пополняет свой ресурс. Агенты-хищники могут нападать на мирных агентов, убивать и съедать их. Если агент-хищник убивает и съедает мирного агента, то ресурс хищника значительно увеличивается. Мирные агенты могут большим коллективом одновременно угрожать агентухищнику, который пришел на участок коллектива мирных агентов. Для согласованности действий мирных агентов эти агенты выбирают в своем коллективе агента-лидера, который подает команды всем мирным агентам собраться в определенном месте, а затем коллективно угрожать агенту-хищнику, вытесняя его с участка мирных агентов. В настоящей работе продемонстрирована способность большого коллектива относительно слабых мирных агентов противостоять сильным агентам-хищникам.

О восстановлении кулоновского поля потенциальных течений на основе искусственных нейронных сетей

А. Д. Смородинов — 2025-03-31

в статье рассматривается возможность применения искусственной нейронной сети для решения задачи Коши на примере моделирования течения тяжелой примеси в потенциальных течениях несжимаемой жидкости, порожденных гармоническим потенциалом. Конструируется искусственная нейронная сеть, не требующая обучения, для представления градиента кулоновского потенциала, показывающая высокую точность приближения. Показывается связь итерационных методов решения задачи Коши с ИНС, конструируется ИНС, реализующая метод Рунге–Кутты, в частности, 4-го порядка точности, не требующая обучения, в которой весовые коэффициенты установлены на этапе конструирования. Проводится тестовый расчет, в котором сравниваются результаты моделирования динамики примеси с использованием разработанной ИНС и программного комплекса для решения задачи Коши с различными конфигурациями полей начальных данных и визуализации результатов математического моделирования течения тяжелой примеси. Кроме того, показывается возможность практического применения ИНС для поиска местоположений источника кулоновского потенциала.

Проблема отсутствия психоэмоциональной составляющей в разработке учебных текстов

А. Р. Гончаров — 2025-03-31

в статье сформулирована проблема при разработке учебных материалов: не уделяется должное внимание психоэмоциональной составляющей как характеристике, влияющей на восприятие учебного текста. Значимость данной проблемы подчеркивается на этапе распространения личностно ориентированного и самостоятельного подходов к образованию с применением генеративных языковых моделей в формировании образовательного контента. Произведен анализ традиционной и инновационной технологии разработки учебных текстов, где выявлена необходимость в методах тонального анализа для формирования определенного окраса учебных текстов. Применение системы анализа эмоциональных окрасов учебных текстов позволяет адаптировать учебные материалы под требуемые условия и повысить их качество восприятия учащимися, устранив психоэмоциональные барьеры в образовательной деятельности.

Библиотека PyPharm как инструмент для решения задач фармакокинетики

Р. С. Крашенинников — 2025-03-31

в последние годы заметно возросла популярность моделирования при создании медицинской продукции. Особое значение приобретает изучение фармакокинетики разрабатываемых лекарственных средств. Определение параметров таких моделей представляет собой задачу многомерной оптимизации, которую успешно решают эволюционные алгоритмы. В данном исследовании представлена новая открытая библиотека на языке Python, предназначенная для фармакокинетического моделирования и оптимизации параметров фармакокинетических моделей с использованием эволюционных алгоритмов.

Системный подход к решению задачи поддержки принятия врачебных решений

А. И. Пахтусов — 2025-03-31

в статье рассматриваются возможности применения в медицинских учреждениях программного решения для поддержки принятия врачебных решений и оценки рисков развития заболеваний, которое охватывает различные наборы алгоритмов диагностики заболеваний и их интеграцию с информационными системами медицинских учреждений.
Описанное программное решение предполагает автоматическое информирование врачей о возможном наличии рисков развития заболеваний у обследуемых пациентов на основании имеющихся медико-социальных данных с применением наборов алгоритмов диагностики заболеваний даже в тех случаях, когда пациент пришел на прием по другим нозологиям.

Сравнение современных технологий распознавания образов.

Т. С. Акобян — 2025-03-31

в представленной работе выполнен обзор методов и технологий, применяемых при построении искусственных нейронных сетей. Биометрические технологии, основанные на уникальных физических и поведенческих характеристиках человека, становятся ключевым инструментом для идентификации личности. Настоящее исследование посвящено сравнительному анализу различных моделей распознавания лиц, включая алгоритмы каскадов Хаара, dlib, MTCNN и FaceNet. Проведен анализ по девяти критериям, включая точность, полноту, время обработки и потребление вычислительных ресурсов. Для оценки эффективности алгоритмов использовался набор из 250 изображений, классифицированных по различным условиям. Полученные результаты демонстрируют, что каждый алгоритм обладает своими преимуществами и недостатками в зависимости от конкретных задач и условий эксплуатации.