Preview

Russian Technological Journal

Расширенный поиск
Том 10, № 1 (2022)
Скачать выпуск PDF | PDF (English)
https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-1

ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ. ИНФОРМАТИКА. ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ 

Разработана понятийная сторона функциональной синергетики в теории информационных процессов и систем.

7-17 148
Аннотация

Цель. В связи с расширением в настоящее время практики применения методов онтологий проектирования информационных процессов и систем в кругу специалистов ИТ обозначилась потребность в том, чтобы дать и раскрыть определение такого нового, актуализированного самим ходом развития виртуальных информационных технологий понятия, как функциональная синергетика, образующего системные начала методов онтологий проектирования, обозначив в результате этого ее признаки для корректного формирования онтологий проектирования соответствующих динамичных информационных процессов и систем.
Методы. Аналитический обзор строится на обозначении авторского видения углубления синергетики как синергетики функциональной в применении к разнообразию современных информационных процессов и систем. В указанном контексте концессионно сопрягается совокупное использование и рассмотрение таких методов, как метод онтологий (генералитетная составляющая образуемой концессии методов), методы когнитивной семиотики, аутопоэзис и иные проявления синергетики со связанными с ними методами и методиками эмерджентной оценочности роли и эффективности любых происходящих системных изменений. Именно такая совокупная динамика информационных процессов и систем позволяет авторам выдвинуть развивающую трактовку методов синергетики, как синергетики функциональной.
Результаты. Уточняется и углубляется понятийная сторона нововведения – функциональной синергетики (с опорой на метод онтологий) – в теорию информационных процессов и систем, что проявляется обновлением онтологий, сопровождающих научные и инженерные проекты, использующие синергетику как исходный методологический базис. При этом выясняется, что функциональные черты синергетики в контексте оценок и упорядочения функционала современных устройств информационных технологий придают ей новые возможности в выделении значимых показателей системных изменений: свойств, признаков и проявлений функционально-синергетического характера. Именно эти три понятия, раскрываемые синергетикой как функциональным окуляром, отличают функциональную синергетику от общепринятого определения синергетики как таковой. Соответствие формы содержанию, аутопоэзис, развитие и преобразования, происходящие с информационными процессами и системами с их эмерджентными последствиями, являются сутью и особенностью синергетики, трактуемой как синергетика функциональная. Прослеживание происходящего в динамике, в неразрывности оценок и регулирований совокупности свойств, признаков и проявлений анализируемых процессов в еще большей степени уточняет сущность и роль вводимого авторами понятия в общую классическую теорию информационных процессов и систем. В связанный с этим анализ в качестве объектов исследования и проектирования здесь включены обладающие существенно динамическими характеристиками и свойствами виртуальная, дополненная, смешанная, расширенная, составная, сопряженная реальности, геоинформационные системы, многомерная компьютерная графика, фрактальная, голографическая графика, компьютерные телетайповые игры, дополненная реальность и т.п.
Выводы. Совершенствование теории и практики создания и применения информационных процессов и систем с позиций учета все более существенно возрастающих скоростей, динамики видоизменений их свойств и показателей приводит синергетическую методологию применения оценок и механизмов управления ими к появлению уточняющего понятия функциональной синергетики как понятия комплексного и динамического, вбирающего в свое толкование как позиции самой классической синергетики, так и сопряженных с ней парадигм когнитивной семиотики и т.п. Базисным генералитетным средством и инструментом такого рода объединения является набирающий все большую известность метод онтологий. В соединении с когнитивной семиотикой функциональная синергетика становится мощным наукоемким инструментом дальнейшего развития теории и практики современных разноплановых интенсифицированных информационных систем мультимедиа и их информационных полей, описываемых как императивной, так и конвенциональной парадигмой.

  • Предложен алгебраический метод, задающий процессную семантику программ. Семантика сопоставляет программам в качестве семантических значений множество вычислительных последовательностей или путей выполнения программы.
  • Доказана возможность представления семантических значений схем программ в виде конечных систем рекурсивных уравнений.
  • Предложен эффективный алгоритм анализа эквивалентности/неэквивалентности полученных систем рекурсивных уравнений.
18-27 79
Аннотация

Цели. Статья посвящена вопросам эквивалентности схем программ. В соответствии с работами А.А. Ляпунова и Ю.И. Янова – основоположников данной теории, под схемой программы понимается ее модель, в которой осуществляется абстрагирование от содержательных значений операторов и выражений. При этом неизменной остается структура программы, включающая символические обозначения операторов и выражений при сохранении последовательности их выполнения. Представленная в статье модель языка программирования содержит основные конструкции последовательных языков и является ядром имеющихся языков последовательного программирования. Цель работы – разработка эффективного алгоритма исследования вопросов эквивалентности (неэквивалентности) схем программ последовательных языков программирования.
Методы. Используется алгебраический подход к заданию семантики языков программирования для исследования вопросов эквивалентности схем программ.
Результаты. Предложен новый алгебраический подход к заданию формальной семантики языков последовательного программирования – процессная семантика. Процессная семантика задается посредством сопоставления программам (схемам программ) множества вычислительных последовательностей. Под вычислительной последовательностью понимается последовательность выполнения действий (команд и тестов) программы. На введенной семантической области (множестве вычислительных последовательностей) определены операции конкатенации двух видов (тест-команда и команда-команда) и операция объединения, свойства которых заданы системами аксиом. Доказана конечность представления семантических значений в виде систем рекурсивных уравнений. Предложен алгоритм доказательства эквивалентности (неэквивалентности) систем рекурсивных уравнений, характеризующих семантические значения для пары схем программ, откуда вытекает эквивалентность (неэквивалентности) программ в сильном смысле.
Выводы. Показана эффективность применения предложенного алгоритма для доказательства эквивалентности схем последовательных программ, в которых отсутствует побочный эффект при вычислении выражений, т.е. последовательное вычисление выражения более, чем один раз, ничего не меняет. В статье приведен демонстрационный пример доказательства эквивалентности схем программ двумя методами: известным методом индукции фиксированной точки де Баккера – Скотта и предложенным в статье методом. Сравнение приведенных методов свидетельствует не только об эффективности нового метода, но и его существенной простоте, что было подтверждено на практике при выполнении соответствующих заданий студентами специальности «Прикладная математика и информатика» Национального исследовательского университета МЭИ в процессе изучения дисциплины «Семантика языков программирования».

  • Развита концепция хранилища резервных копий, показаны различные типы методов хранения резервных копий, включая сетевое хранилище, внешние жесткие диски и облачное хранилище.
  • Рассмотрены стратегии и механизмы резервного копирования данных.
  • Разработана стратегия, которая сочетает три вида резервного копирования и дает вполне удовлетворительные результаты по сохранности критически важных данных.
28-34 90
Аннотация

Цели. Цифровизация экономики привела к тому, что любая организация накапливает огромное количество цифровых данных, потеря или порча которых приводит к невосполнимому ущербу для организации. Актуальным является вопрос повышения сохранности данных. Одним из способов повышения сохранности данных является резервное копирование. Целью статьи является разработка эффективной стратегии резервирования данных для критически важных информационных систем предприятия.
Методы. Методом решения задачи является создание резервных копий информационных систем предприятия на основе применения гибкой архитектуры, основанной на сочетании резервного копирования как услуги во внешних облачных структурах с техническими средствами, находящимися в распоряжении организации.
Результаты. В статье обсуждаются решения и инструменты для резервного копирования, среди которых: объемы и расписание резервного копирования, целевая точка и время восстановления данных. Рассмотрены стратегии и механизмы резервного копирования данных. Наиболее распространенными механизмами резервного копирования являются съемные носители, резервирование, внешний жесткий диск, аппаратные средства, программное обеспечение для резервного копирования, услуги резервного копирования в «облако». Для создания резервных копий в своей сети создается внешний жесткий диск большого объема и используется архивное программное обеспечение для сохранения изменений в локальных файлах на этом жестком диске. В статье рассмотрены: стратегия резервного копирования, концепция хранилища резервных копий, различные типы методов хранения резервных копий, включая сетевое хранилище, внешние жесткие диски и облачное хранилище. Описаны основные положения и правила резервного копирования критически важных информационных систем. Приведены правила копирования серверов.
Выводы. В статье обсуждается архитектура резервного копирования данных для критически важных информационных систем предприятия. Авторы считают, что резервных копий должно быть не менее трех, две из которых размещаются в «облаке». Разработанная авторами стратегия 3–2–1 дает вполне удовлетворительные результаты по сохранности критически важных данных.

СОВРЕМЕННЫЕ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 

  • Коэффициент оперативной готовности - один из основных показателей надежности сетей спутниковой связи.
  • Анализ надежности кольцевой и радиальной топологий сетей связи по коэффициенту оперативной готовности - актуальная научная задача.
35-40 85
Аннотация

Цели. Важнейшим отличительным признаком спутниковых сетей связи (ССС) является топология, характеризующая схему объединения узлов и каналов связи в единую структуру и во многом определяющая основные характеристики систем связи. В ССС используются следующие топологии: полносвязная, древовидная, кольцевая и радиальная (типа «звезда»). Топологию можно изменять в зависимости от решаемых задач, например, для обеспечения высоких показателей надежности. Общим, наиболее часто применяемым показателем, характеризующим надежность сетей связи, является коэффициент готовности. Рассматривая ССС как сложную восстанавливаемую систему, целесообразно наряду с коэффициентом готовности анализировать коэффициент оперативной готовности. В работе исследуется влияние топологии сети на надежность ССС.
Методы. Используется теория массового обслуживания для анализа потока событий, то есть потока отказов и восстановлений.
Результаты. Полагая, что для центрального узла при радиальной топологии сети можно использовать экспоненциальную модель наработки до отказа, получены зависимости коэффициента оперативной готовности от времени. Выполнено сравнение надежности сетей с кольцевой и радиальной топологией по коэффициенту оперативной готовности.
Выводы. Показано, что для достижения более высокой надежности необходимо использовать ССС с радиальной структурой. Например, на интервале времени 12000 часов коэффициент оперативной готовности двухузловой ССС с радиальной структурой равен 0.9, а для ССС с кольцевой топологией при количестве узлов 2, 3, 4 соответственно равен 0.7, 0.59, 0.5. Исследование также показало, что радиальная топология эффективнее даже при менее надежных узлах, то есть при увеличении интенсивности отказов. Преимущество радиальной топологии сети возрастает по мере увеличения числа узлов. Однако в ССС с радиальной топологией выход из строя центрального узла приводит к полной деградации всей системы.

  • Методами оптимальной нелинейной фильтрации синтезирован квазикогерентный алгоритм приема сигналов с многопозиционной фазовой манипуляцией, компенсирующий флуктуации фазы и изменения частоты несущей, вызванные нестабильностью задающего генератора и доплеровским эффектом.
  • Оценка помехоустойчивости показала, что  алгоритм позволяет компенсировать влияние эффекта Доплера, как при малой, так и при большой скорости движения приемника и передатчика друг относительно друга.
41-49 136
Аннотация

Цели. Сигналы с фазовой манипуляцией (ФМ) широко применяются во многих телекоммуникационных, связных и сотовых системах передачи информации. По сравнению с амплитудной и частотной манипуляцией применение ФМ обеспечивает более высокую помехоустойчивость. Увеличение позиционности такого сигнала приводит к повышению его спектральной эффективности, но в то же время к некоторому снижению помехоустойчивости приема. Для обеспечения высокой помехоустойчивости при приеме многопозиционных сигналов (М-ФМ) в демодуляторе требуется обеспечить когерентность опорного колебания с несущей. Незнание частоты и фазы принимаемого сигнала приводит к существенным энергетическим потерям. Цель работы – синтез и анализ алгоритмов приема сигналов М-ФМ с флуктуациями фазы, вызванными изменениями его несущей частоты, связанными с эффектом Доплера, на фоне белого гауссовского шума.
Методы. Задача решается с применением аппарата оптимальной нелинейной фильтрации и методов статистической радиотехники.
Результаты. Синтезирован демодулятор, включающий в себя взаимосвязанные блок оценки дискретного символа, на выходе которого выдается решение о принимаемом символе, и блок фазовой автоподстройки частоты. Получены аналитические выражения, позволяющие оценить характеристики помехоустойчивости приемника в зависимости от отношения сигнал/шум и параметров флуктуаций. Показано, что синтезированный квазикогерентный алгоритм хорошо компенсирует флуктуации фазы сигнала М-ФМ, вызванные нестабильностью задающего генератора и доплеровским эффектом.
Выводы. Сравнение полученных результатов с результатами в случае отсутствия флуктуации начальной фазы показывает, что энергетический проигрыш при большой относительной скорости движения передатчика и приемника (спутниковый радиоканал) составляет не более 1 дБ, при меньших скоростях движения объектов – около 0.2 дБ и менее.

  • Целями работы являлись построение и анализ программно-численной модели электрооптического повторителя радиоимпульсов, обеспечивающего восстановление импульсного радиоизображения за однократный прием в условиях воздействия аддитивных шумов с достижением субнаносекундного разрешения.
  • Построена радиофотонная схема повторителя радиоимпульсов, реализуемая на принципе дробного мультиплексирования с обратной задержанной связью.
  • Показано, что схемы повторителей, реализуемые на принципах дробного мультиплексирования с задержанной обратной связью, способны эффективно решить научно-практическую задачу многократного зондирования объектов сверхкороткими импульсами для получения радиоизображения цели с достоверной воспроизводимостью.
  • Установлено, что электрооптический повторитель с 8 линиями задержки за 30 итераций способен восстановить сложный импульс, отраженный от цели с коэффициентом корреляции больше 0.9 между эталонным и восстановленным импульсом при отношении сигнал/шум не менее 9 дБ.
50-59 122
Аннотация

Цели. Целью данной работы является построение и анализ программно-численной модели электрооптического повторителя радиоимпульсов, обеспечивающего восстановление импульсного радиоизображения за однократный прием в условиях воздействия аддитивных шумов с достижением субнаносекундного разрешения.
Методы. Использованы численные методы схемотехнического анализа, лежащие в основе специализированных систем автоматизированного проектирования, численные методы статистической радиотехники.
Результаты. Построена радиофотонная схема повторителя радиоимпульсов, реализуемая на принципе дробного мультиплексирования с обратной задержанной связью. Разработаны программные модели инфраоптических повторителей в среде Simulink (Trial Version Soft), позволяющие анализировать и исследовать эффективность метода оптической регенерации радиоимпульсов при помощи схемы дробного мультиплексирования с задержанной обратной связью. Показано, что схемы повторителей, реализуемые на принципах дробного мультиплексирования с задержанной обратной связью, способны эффективно решить научно-практическую задачу многократного зондирования объектов сверхкороткими импульсами для получения радиоизображения цели с достоверной воспроизводимостью. В ходе численного моделирования установлено, что двух- и четырехкаскадные схемы линий обратной задержки не обеспечивают надежной воспроизводимости в случае восстановления сверхкороткого импульса (СКИ) со сложным временным профилем. В то же время схема с каскадом из 8 линий задержки справляется с поставленной задачей, обеспечивая корреляционную воспроизводимость более 0.9. При этом схема электрооптического повторителя с каскадом из 16 линий задержки не дает весомого вклада в повышение точности восстановления СКИ относительно схемы с каскадом из 8 линий, поэтому последнюю можно определить в качестве оптимального решения. Предложен электрооптический метод решения радиотехнической задачи стробоскопической регистрации и восстановления сверхкоротких радиоимпульсов субнаносекундной длительности, составляющих сигнатуру радиоизображения динамических объектов для систем активного радиовидения.
Выводы. Установлено, что электрооптический повторитель с 8 линиями задержки за 30 итераций способен восстановить сложный импульс, отраженный от цели с коэффициентом корреляции больше 0.9 между эталонным и восстановленным импульсом при отношении сигнал/шум не менее 9 дБ.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ 

  • Изучены две методики распараллеливания процессов при решении системы уравнений газовой динамики. Представлены результаты численных решений двумерных уравнений газовой динамики в цилиндрических координатах с использованием различного числа процессоров. Показано, что при использовании 16 процессоров удается сократить время расчета тестовой задачи приблизительно в 12 раз.
  • Моделировалось прохождение сильной ударной волны (число Маха равно 20) и ее отражение от дна в инертном газе аргоне Ar внутри цилиндрического канала с алюминиевыми стенками. Вблизи контактной границы Ar–Al формируются завихрения и развивается турбулентная зона.
  • Обсуждалась возможность изучения формирования зоны турбулентности в гиперзвуковых потоках с помощью лазерной ударной трубы.
60-67 67
Аннотация

Цели. Изучается эволюция вихревых структур, формирующихся при взаимодействии падающей и отраженной под углом ударных волн в цилиндрическом канале. Сама ударная волна задается с помощью соотношений Гюгонио, позволяющих определить параметры газа за фронтом ударной волны по заданному числу Маха и значениям газодинамических параметров перед скачком давления. Моделировалось распространение сильной ударной волны (число Маха равнялось 20) в инертном газе аргоне.
Методы. Используются методы математического моделирования. Разработан параллельный алгоритм решения двумерных уравнений газовой динамики в цилиндрических координатах (r, z, t) и создана новая версия программы NUTCY_ps. Расчеты выполнены на суперкомпьютере МВС-100K.
Результаты. Рассмотрены две методики распараллеливания процессов при решении системы уравнений. На примере конкретной задачи проведено сравнение эффективности этих методик. Развит параллельный алгоритм и модернизирована программа для решения двумерных уравнений газовой динамики в цилиндрических координатах (r, z – пространственные координаты, t – время). Проведены численные расчеты, моделирующие: 1) падение и отражение ударной волны от металлического экрана; 2) прохождение ударной волны через отверстие в экране; 3) прохождение ударной волны через цилиндрический канал и ее отражение от дна канала, взаимодействие с падающей волной. Представлены результаты тестовых решений на параллельном суперкомпьютере с использованием различного числа процессоров. Показано, что при использовании 16 процессоров удается приблизительно в 12 раз сократить время расчета тестовой задачи.
Выводы. Показано, что при взаимодействии падающей и отраженной под углом ударными волнами формируются области с пониженной и повышенной плотностью газа, а также вихревые течения. Область взаимодействия вихрей (зона турбулентности) приобретает сложную форму. В статье обсуждается возможность проведения натурных экспериментов на ударных трубах или с помощью лазерной ударной трубы. Такие исследования позволили бы сравнить экспериментальные данные с результатами численных расчетов и на их основе развить более совершенные модели турбулентных движений.

  • Представлены оригиналы нестандартных операционных изображений (по Лапласу), входящие в операционные решения широкого класса задач локально-неравновесных процессов переноса (теплоты, массы, импульса), электрических цепей, гидродинамики, теории колебаний, термомеханики и других областей.
  • Показана возможность перехода от одной формы аналитического решения к другой эквивалентной форме.
  • Представленные аналитические решения гиперболических моделей теплопереноса в областях канонического типа являются новыми в классической теплофизике.
68-79 72
Аннотация

Цели. В последние годы усилился интерес к изучению локально-неравновесных процессов в связи с развитием лазерных технологий, возможностью получения сверхвысоких температур и давлений, а также ввиду необходимости математического описания различных физических процессов в экстремальных условиях. При моделировании локально-неравновесных процессов возникает необходимость учета внутренней структуры исследуемых объектов, что приводит к существенному усложнению классических моделей переноса. Важным этапом в развитии указанной области является построение математических моделей разнообразных физических полей с учетом их пространственно-временной нелокальности. Для этих целей используются уравнения гиперболического типа для широкого класса явлений и, прежде всего, для процессов нестационарной теплопроводности на основе обобщенной феноменологии Максвелла – Каттанео – Лыкова – Вернотта. Математические модели в виде краевых задач для уравнений гиперболического типа носят название краевых задач обобщенного типа. Эти задачи значительно отличаются от классических на основе феноменологии Фурье по сложности их решения. Их специфика заключается в относительной простоте исходных математических моделей и трудности решения в аналитически замкнутом виде. Отсюда весьма незначительные успехи в нахождении точных аналитических решений такого рода задач. Наиболее приемлемый метод их решения – операционный, но он приводит к аналитическим решениям в пространстве изображений по Лапласу в виде сложных функциональных конструкций, оригиналы которых не содержатся в известных справочниках по операционному исчислению. На этом пути возникают серьезные трудности вычислительного характера.
Цель работы – рассмотреть серию нестандартных изображений, возникающих при операционном решении математических моделей локально-неравновесного теплообмена и получить их оригиналы. Методы. Использованы методы и теоремы операционного исчисления, методы контурного интегрирования сложных изображений, теория специальных функций.
Результаты. Представлено развитие операционного исчисления для математических моделей локально-неравновесного теплопереноса в терминах теории нестационарной теплопроводности для уравнений гиперболического типа (волновых уравнений). Рассмотрены нестандартные операционные изображения, оригиналы которых ранее были неизвестны. Показано, что приведенные изображения являются характерными для операционных решений широкого класса обобщенных краевых задач для уравнений гиперболического типа в теории теплопроводности, диффузии, гидродинамики, колебаний, распространения электричества, термомеханики и других направлений науки и техники. Изучены частично ограниченные и конечные области. Приведены иллюстративные примеры в качестве численных экспериментов локально-неравновесного процесса теплообмена с учетом конечной скорости распространения теплоты, имеющей волновой характер. Последнее выражается наличием ступенчатой функции Хевисайда в аналитическом решении задачи. Обоснован физический смысл конечной скорости распространения теплоты; построена изохрона для температурной функции в частично ограниченной области и показано, что на поверхности фронта идущей волны температурный профиль имеет разрыв. Это приводит к задержанию оттока теплоты за границу разрыва – характерная особенность аналитических решений волновых уравнений, к которой следует добавить возможность описания аналитического решения задачи в виде эквивалентных интегральных соотношений, существенно упрощающих числовые расчеты.
Выводы. Представлены оригиналы нестандартных операционных изображений (по Лапласу), входящие в операционные решения широкого класса задач локально-неравновесных процессов переноса (теплоты, массы, импульса), электрических цепей, гидродинамики, теории колебаний, термомеханики и других областей. Приведены иллюстративные примеры и показана возможность перехода от одной формы аналитического решения к другой эквивалентной форме. Представленные аналитические решения гиперболических моделей теплопереноса в областях канонического типа являются новыми в классической теплофизике.



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2782-3210 (Print)
ISSN 2500-316X (Online)