Наукова спадщина засновника кібернетики Норберта Вінера

Розглянуто наукову спадщину видатного американського вченого, засновника кібернетики Н. Вінера. Наведено його основні етапи життєвого шляху. У 2019 р. виповнюється 125 років від дня його народження і 55 років від дня його смерті. Все своє життя Н. Вінер присвятив науковій роботі в таких видатних наукових центрах, як Гарвардський університет, Корнельський університет, Колумбійський університет, Массачусетський технологічний інститут та ін. Наведено особливості наукового стилю Н. Вінера та його ставлення до організації наукового пошуку. Проаналізовано внесок Н. Вінера у зародження обчислювальної техніки. Наведено сформульовані Н. Вінером вимоги до обчислювальної машини, яких дотримувалися творці перших електронних обчислювальних машин. Розглянуто основні досягнення Н. Вінера, який плідно займався науковою роботою в багатьох галузях (математика, теоретична кібернетика, теорія управління, обчислювальна техніка та ін.). Одним із найбільших його досягнень є концепція та основні положення кібернетики, на якій основані майже всі сучасні галузі обчислювальної техніки та інформаційних технологій. Розглянуто наукові ідеї та гіпотези Н. Вінера в галузі кібернетики та перспективи розвитку цих ідей у новій науково-технічній галузі - кіберфізичних систем.

Децентралізований доступ до хмарного сховища даних

Розглянуто питання підвищення безпеки зберігання та забезпечення конфіденційності управлінням доступом до даних у хмарних сховищах. Досліджено наявні способи контролю такого доступу. Запропоновано спосіб удосконалення техніки шифрування, що базується на атрибутах політики шифротексту та його застосування в децентралізованій системі управління доступом до даних у багатокористувацьких хмарних системах їх зберігання. Основною метою є підвищення безпеки та конфіденційності управління хмарним сховищем даних, для якого наявне управління не відповідає всім необхідним вимогам.

Оцінка надійності паралельних обчислювальних систем при виконанні заданого комплексу взаємопов'язаних робіт

Під час проектування паралельної обчислювальної системи (ОС) для виконання заданого комплексу взаємопов'язаних робіт важливою характеристикою є її надійність. Але крім основних показників надійності ОС, забезпечених технічними засобами, існує ще показник надійності системи, який оцінює придатність паралельної ОС до вирішення конкретних задач за визначений час. Це оцінювання безпосередньо пов'язане з ефективністю використання ОС.

Методи пошуку та розпізнавання об'єктів у відеозображеннях на мобільній платформі IOS в реальному часі

Досліджено особливості найпоширеніших методів і систем пошуку та розпізнавання об'єктів у відеозображеннях. За результатами дослідження показано доцільність побудови засобів пошуку та розпізнавання для платформи iOS у реальному часі. Запропоновано метод функціональної адаптації алгоритму пошуку та розпізнавання об'єктів до особливостей відеозображень, який полягає в опрацюванні відеозображення згладжуючим і мінімізаційним фільтрами, що забезпечує зменшення часу пошуку та розпізнавання об'єктів. Розроблено базову структурну схему таких засобів та алгоритм функціонування. Розроблено алгоритмічно-програмні засоби для розв'язання завдання на знаходження та оперативне розпізнавання об'єктів у режимі реального часу мовою Swift під мобільну платформу iOS. Використано особливості згорткової нейронної мережі (НМ) з архітектурою YOLOv3 та фреймворку для роботи з НМ під мобільні додатки CoreML. Запропоновано метод поліпшення роботи такої НМ, який оснований на квантизації вагових коефіцієнтів НМ і забезпечує мінімізацію розміру моделі та часу пошуку її об'єктів. Досліджено значення частоти оброблення кадрів зображень із використанням запропонованої моделі YOLOv3-KD і моделей НМ типу YOLOv3-tiny та YOLOv3-416. Доведено можливість функціонування запропонованих засобів у режимі реального часу.

Методи удосконалення структур швидкодіючих однорозрядних та багаторозрядних двійкових суматорів

Запропоновано методи вдосконалення структур швидкодіючих одно- та багаторозрядних двійкових суматорів із гранично високою швидкодією та мінімальною апаратною складністю. Запропоновано спрощення структури логічного елемента "Виключаюче АБО" реалізацією на базі логічного елемента "Виключаюче І" та вдосконалено структури однорозрядних неповних суматорів на базі логічного елемента "Виключаюче І". Наведено порівняльне оцінювання структурної, функціональної та відносної функціонально-структурної складностей їх схемотехнічних реалізацій. Запропоновано структури повних однорозрядних суматорів (ОРС) із розширеними функціональними можливостями. Наведено оцінки структурних і функціональних характеристик схемотехнічних рішень таких ОРС. Запропоновано оптимізацію структури багаторозрядних комбінаційних суматорів (БРКС). Досліджено БРКС пірамідального типу з одно- та парафазними інформаційними зв'язками. Наведено порівняльні характеристики оцінок структурної складності комбінаційних суматорів залежно від розрядності вихідних кодів.

Принципи побудови інтерфейсу користувача кіберфізичної системи

Розглянуто принципи та запропоновано рекомендації щодо розроблення інтерфейсів користувача для кіберфізичної системи (КФС). Наведено методи взаємодії КФС із ВЕБ-сервісами, для ефективного їх використання. Реалізовано інтерфейс користувача для КФС у вигляді ВЕБ-сервісу. Наведено принципи побудови ВЕБ-сервісів, проведено аналіз наявних архітектур ВЕБ-сервісів. Виділено основні проблемні місця, повязані з проектуванням сервісів на базі REST і SOAP архітектур. Розглянуто та описано основні підходи та рекомендації щодо розроблення графічних інтерфейсів користувача для КФС. Наведено опис GeoJSON формату даних, який використовують для візуалізації отриманих даних; методи взаємодії КФС із ВЕБ-сервісами та базою даних. Запропоновано програмне забезпечення, побудоване у вигляді ВЕБ-сервісу на базі архітектури REST. Наведено методи взаємодії КФС із MSSQLServer. Запропоновано передачу даних, яка відбувається через системи безпровідного зв'язку третього покоління та систему тестів, яка надала змогу сповна перевірити реалізовані функції. Створені перевірки проведено на операційних системах Android від Google, IOS від Apple та Windows компанії Microsoft. Перевірено роботу інтерфейсу користувача для КФС у режимі адміністратора користувача сервісу. Інтерфейс користувача та ВЕБ-сервіс загалом, пройшовши систему тестів, не давали збоїв, не було зафіксофано аномальної поведінки, що свідчить про успішну та правильну реалізацію заявлених функцій.

Елементи великого мультиплікативного порядку в розширених скінченних полях на основі модифікованого підходу Гао

Підхід Гао побудови елементів великого порядку в довільних скінченних полях (СП) полягає у виборі зручного полінома, який задає розширення початкового простого поля. Цей вибір залежить від одного полінома-параметра. Тому вказаний підхід можна розглядати як використання опису СП з одним ступенем свободи. Досліджено можливість поліпшення нижніх меж для порядків елементів у СП загального вигляду з використанням двох ступенів свободи. Виконано комп'ютерні обчислення в середовищі Maple, які б показали можливі виграші у цьому разі, та наведено відповідні результати. Елементи великого мультиплікативного порядку використовують у низці криптографічних примітивів (протокол Діффі - Хелмана, криптосистема Ель - Гамаля з відкритим ключем, цифровий підпис Ель - Гамаля).

Дослідження методу гістограм направлених градієнтів для ідентифікації транспортних засобів

Теоретичні основи, методи та алгоритми розпізнавання візуальних об'єктів починають розробляти з часів появи перших електронних обчислювальних машин. Практичне використання різних завдань розпізнавання образів у сучасних технічних системах зумовлено стрімким розвитком потужних, малогабаритних і порівняно дешевих засобів оброблення цифрових даних і стає все поширенішим у різноманітних галузях. Виконано дослідження ефективності алгоритму гістограм напрямлених градієнтів (HOG) у разі ідентифікації у відеопотоці транспортних засобів різних типів: автомобілів, літаків, кораблів. Виконано моделювання алгоритму з використанням пакета MATLAB на прикладі літаків фірми "Антонов", автомобілів різних марок і різних кораблів. У результаті моделювання за допомогою інструментів MATLAB отримано спеціалізовані SVM-класифікатори для ідентифікації деяких марок автомобілів, літаків і кораблів. Для отримання класифікатора використано вибірки зображень зі сцен, на яких є об'єкти, що ідентифікуються, та негативних зображень сцен, на яких відсутні такі об'єкти. Здійснено порівняння основних параметрів класифікаторів. У процесі моделювання алгоритму проведено навчання спеціалізованого класифікатора для ідентифікації об'єктів класу автомобілів, літаків, кораблів і підбір оптимальних параметрів навчання та робочого функціонування спеціалізованого класифікатора для досягнення найефективнішої ідентифікації. Аналіз отриманих результатів показав, що використаний алгоритм із найбільшою ефективністю працює на об'єктах класу "автомобілі". Для перевірки функціонування алгоритму на реальних об'єктах у режимі реального часу розроблено структурну схему модуля ідентифікації на базі мікрокомп'ютера з відкритим кодом типу Orange Pi зі встановленою ОС Android ZIDOO.

Порівняння AEAD-алгоритмів для вбудованих систем Інтернету речей

Виконано порівняння за швидкодією та вимогами до пам'яті реалізацій AEAD-шифрів AESGCM і ChaCha20-Poly1305 для типових 8/16/32-бітних вбудованих low-end процесорів у складі пристроїв Інтернету речей за різних підходів до забезпечення стійкості до часових атак і простих атак на енергоспоживання. Увагу приділено низькорівневій реалізації множення в полях GF(2<^>128) із константним часом виконання як ключовій операції GCM, оскільки у low-end процесорів немає готової інструкції для carry-less множення. Для кожного процесорного ядра AVR/MSP430/ARM Cortex-M3 відповідно запропоновано реалізацію carry-less множення з константним часом виконання, яка за ефективністю є близькою до алгоритмів із неконстантним часом виконання.

Модель нейронної схеми слідкуючого керування нелінійними динамічними системами неперервного часу

Запропоновано модель нейронної схеми, призначеної для слідкуючого керування невідомими нелінійними динамічними системами. Для опису моделі використано диференційне рівняння першого порядку зі змінною структурою та вихідне рівняння. Модель надає можливість досягати скінченного часу збіжності до робочих станів та обмеженої похибки слідкування. Вона не потребує навчання у режимі офлайн. Для мінімізації похибки відслідковування траєкторії об'єкта модель використовує лише виходи системи та об'єкта. Вона має просту структуру та її можна використовувати, коли внутрішня динаміка і параметри керованої системи є невідомими. Наведено результати комп'ютерного моделювання застосування моделі для оптимального слідкуючого керування кутом повороту дволанкового планарного маніпулятора, які підтверджують теоретичні положення та ілюструють високу ефективність функціонування моделі.

Порівняльний аналіз програмно-апаратного забезпечення алгоритмів глибокого навчання

Автоматичний переклад, розпізнавання мови та її синтез, розпізнавання об'єктів і навіть людських емоцій - надзвичайно складні завдання, з якими легко справляються сучасні смартфони. Їх ефективна реалізація стала можливою завдяки широкому застосуванню алгоритмів штучного інтелекту та машинного навчання, серед яких надзвичайно популярними є штучні нейронні мережі та алгоритми глибокого навчання. Ці алгоритми проникли в усі галузі індустрії, а їх стрімкий розвиток неможливий без застосування апаратної акселерації та чіткої взаємодії між апаратними складовими та програмним забезпеченням. Особливо актуальним це завдання стає, коли програмне забезпечення, призначене для застосування в хмарах, адаптується для невеликих за розміром та обчислювальними потужностями вбудованих систем. Розглянуто три пункти, що, відповідно, пов'язані з програмним забезпеченням глибокого навчання, спеціалізованою апаратурою на основі GPU та перспективами побудови акселераторів для алгоритмів глибокого навчання на основі програмованих логічних матриць. Проведено порівняльний аналіз найпопулярніших програмних фреймворків, таких як Caffe, Theano, Torch, MXNet, Tensorflow, Neon, CNTK. Описано переваги GPU-рішень на основі CUDA і cuDNN. Розглянуто перспективи FPGA як високошвидкісних та енергоефективних рішень для розроблення алгоритмів глибокого навчання, особливо у поєднанні з мовою OpenCL.

Біомедична кіберфізична система цілодобового моніторингу функцій легень у пацієнтів із COVID-19 / А. О. Мельник, Ю. В. Морозов, Б. І. Гаваньо, П. А. Гупало

Легені найбільше вражає коронавірус. Саме тому легені пацієнтів із COVID-19 потребують постійного медичного моніторингу. Розглянуто біомедичну кіберфізичну систему цілодобового моніторингу функцій легень у пацієнтів із COVID-19, яка надає можливість лікарям неперервно контролювати основний орган пацієнтів, що вражається коронавірусом, - легені. Її спроектовано так, щоб цілодобово та незалежно від місцеперебування пацієнта контролювати стан його легень. Відтак, створені засоби надають можливість лікареві безперервно на відстані (скажімо, зі свого кабінету) бачити рівень кисню в крові пацієнта.

Алгоритмічний підхід до проєктування нової медичної апаратури / Л. О. Березко, С. Є. Соколов

Досліджено можливість алгоритмізації проєктування складної електронної медичної апаратури (ЕМА). Таку апаратуру розглядають як елемент біотехнічної системи (БТС), що є окремим варіантом кіберфізичної системи. Біотехнічна система - це комплекс, до складу якого входять біологічний об'єкт, ЕМА та потенційний користувач. Проєктування ЕМА має комплексний характер і залежить від особливостей БТС. Кожна нова розробка передбачає індивідуальний підхід, але аналіз можливих узагальнених структур БТС та особливостей їхніх елементів надає можливість систематизувати послідовність необхідних для їх створення операцій і запропонувати алгоритм проєктування, за яким отримують потрібний результат. Розглянуто приклад використання алгоритмічного підходу при проєктуванні електроімпедансної медичної апаратури. Отримані результати можна використати при проєктуванні БТС терапевтичного призначення.

Структурна адаптація процесів збирання даних в автономних розподілених системах із використанням методів навчання з підкріпленням / О. Ю. Бочкарьов

Розроблено метод структурної адаптації (МСА) процесів збирання даних на основі навчання з підкріпленням блоку прийняття рішень щодо вибору дій на структурному та підпорядкованому йому функціональному рівні, який забезпечує ефективніший розподіл вимірювальних та обчислювальних ресурсів, вищу надійність і живучість підсистем збирання інформації автономної розподіленої системи у порівнянні з методами параметричної адаптації (МПА). Зокрема за результатами експериментальних досліджень середня кількість зібраної інформації за один крок із використанням МСА на 23,2 % є більшою, ніж у випадку використання МПА. Разом із тим, кількість обчислювальних витрат на роботу МСА в середньому є більшою на 42,3 %, ніж на роботу МПА. Досліджено надійність роботи МСА за допомогою коефіцієнта збереження ефективності для різних значень інтенсивності потоку відмов процесів збирання даних. За допомогою коефіцієнта швидкості відновлення для різних значень відносних одночасних раптових відмов досліджено живучість множини процесів збирання даних, організованих за МСА. За надійністю роботи МСА переважає МПА в середньому на 21,1 %. Усереднений показник живучості для МСА більший ніж для СПА на 18,4 %.

Функціональне узгодження методів організації адаптивних процесів збору даних та методів просторової самоорганізації мобільних агентів / О. Ю. Бочкарьов

Запропоновано спосіб функціонального узгодження методів організації адаптивних процесів збирання даних і методів просторової самоорганізації мобільних агентів (МА) паралельним виконанням відповідного процесу збирання даних і процесу управління переміщенням МА з використанням запропонованого протоколу їх взаємодії та алгоритму планування паралельного виконання, що надає можливість прискорити обчислення в блоці прийняття рішення МА в середньому на 40,6 %.

Підвищення швидкості роботи веб-додатків / Ю. С. Клушин, Ю. Б. Захарчин

Односторінкові веб-додатки - це технологія веб-додатка, яка складається з однієї веб-сторінки, яка взаємодіє з користувачем, динамічно генеруючи поточну сторінку, а не завантажує цілі нові сторінки з сервера. Наведено методику створення веб-додатка на основі SPA технології (односторінковий веб-додаток) як метод підвищення швидкості роботи веб-додатків на основі використання сучасних фреймворків, інструментів і засобів розроблення клієнтської та серверної частини односторінкового веб-додатка. На основі цієї методики розроблено власний веб-додаток і на його основі визначено швидкість відгуку, яка є меншою ніж оптимальна швидкість відгуку для односторінкових веб-додатків. Надано роз'яснення, завдяки яким рішенням збільшується швидкість відгуку та продуктивність роботи в односторінковому веб-додатку та чому створення багатосторінкового сайту є не найкращою ідеєю.

Алгоритм оперативного наведення засобів вимірювально-керувального вузла кіберфізичної системи на рухомий об'єкт / Д. О. Кушнір, Я. С. Парамуд

За результатами аналізу літературних джерел встановлено, що одними з основних вузлів кіберфізичних систем є вимірювально-керувальні вузли. Одним із завдань, розв'язання яких покладено на такі вузли, є наведення засобів спостереження за рухомими об'єктами. Запропоновано алгоритм наведення, який полягає в оперативному опрацюванні результатів спостережень, передбаченні найімовірнішого напрямку руху та формуванні команд для максимального наближення зображення рухомого об'єкта до центра інформаційного кадру. Розроблений алгоритм базується на алгоритмі навчання з підкріпленням DDPG. Засоби розпізнавання реалізовують можливості моделі YOLOv3. Використані додаткові програмні фільтри для покращання якості розпізнавання. Алгоритм верифіковано на експериментальній фізичній моделі з використанням дрона. Результати експериментальних досліджень підтвердили функціонування алгоритму наведення в реальному часі.

Методи семантичного аналізу при анотованому узагальненні текстових документів / О. Б. Очерклевич, А. О. Ігнатович

Розглянуто використання семантичного аналізу при узагальненні текстових документів. Проаналізовано найпоширеніші методи узагальнення текстових документів та оцінювання якості результатів оцінювання. Наведено особливості вдосконаленого методу анотаційного узагальнення текстових документів, який використовує принципи прихованого семантичного аналізу та елементи нечіткої логіки для виявлення семантично важливих речень. Запропоновано використання нового підходу до оцінювання ефективності узагальнення, основаного на елементах нечіткої логіки та на статистичному показнику, що використовується для оцінювання важливості слів у контексті та класу документа, що надає змогу визначити міру відповідності вмісту оригінального документа та його резюме. Наведено результати верифікації запропонованих засобів, що засвідчують їхню ефективність.

Принципи моніторингу та керування у мережі зарядних станцій електричних автомобілів / Я. С. Парамуд, Т. Є. Рак, М. В. Торський

Досліджено принципи побудови, моніторингу, керування та організацію безпеки у мережі зарядних станцій електричних автомобілів. Запропоновано використання елементів сучасних клієнт-серверних технологій та елементів кіберфізичних систем (КФС) у таких мережах. Розроблено базову структуру КФС керування мережею зарядних станцій. Розроблено та досліджено серверні та клієнтські засоби мережі. Наведено структурні та функціональні рішення серверної та клієнтської частин. Проаналізовано потенційні вразливості мережі до кібератак. Запропоновано використання у мережі ефективних засобів захисту від кібератак.

Принципи побудови програмних засобів системи налаштування інтегрованих плат / І. І. Пастернак

Висвітлено функціональні можливості та зручність використання системи налаштування інтегрованих плат. Визначено, що всі вони надають базовий функціонал для роботи апаратними продуктами та лише деякі надають можливість використовувати розширені можливості, що часто можуть бути потрібними. Наведено способи комунікації з цією програмою. Досліджено, що з використанням інтерфейса користувача проєкт є більш зрозумілим, гнучким і зручним для використання. Описано, який саме вплив мають такі кроки, як вибір мови та середовища програмування, програмних засобів, розроблення функціонального забезпечення, а також створення алгоритмів роботи тощо. Проаналізовано стан сучасних системних інтегрованих плат і визначено основний набір компонентів, що потрібен планам для коректного функціонування. Розроблено блок-схеми алгоритмів для визначення основних можливостей системи налаштування інтегрованих плат. Після діагностики інтегрованої плати з використанням різних сучасних систем виявлено такі незручності: якщо особисто не слідкувати за отриманням даних і не аналізувати їх, потім потрібно буде витратити багато часу для перечитування інформації, бо немає можливості скористатися пошуком; при тривалому з'єднання вікно не очищується, тому використання пам'яті стрімко зростає, після чого помітні затримки в роботі застосунку; неможливість використання кількох з'єднань водночас, що необхідно, якщо на плату встановлено кілька операційних систем, які працюють незалежно одна від однієї. Проаналізовано вибір середовища розробки системи інтегрованих плат. Визначено актуальну проблему в середовищі використання, що потребує її вирішення з використанням системи для налаштування системних плат. Встановлено той факт, що область розроблення, діагностики та налаштування апаратних засобів стрімко розвивається та постійно потребує нововведень. Обгрунтовано, що всі програмні засоби, що розробляються, повинні поєднувати високу надійність, доступну ціну, невисокі апаратні затрати та точність наданих результатів. Визначено технічний засіб: периферійний інтерфейс для обміну інформацією. Вибір зроблено, враховуючи такі вимоги до нього: дуплексність, асинхронність, надійність, ціна, доступність реалізації. Вирішено використовувати інтерфейс UART.