Выпуск 18 (3), 2019: Труды СПИИРАН

Анализ тенденции развития военно-технического противоборства в воздушно-космической сфере позволяет выделить ряд направлений, непосредственно влияющих на информационно-управляющую сторону функционирования авиационных систем радиоуправления, к которым, прежде всего, относятся: групповое применение как средств нападения, так и защиты; качественное усложнение законов взаимного пространственного перемещения летательных аппаратов; высокая динамичность, нестационарность обстановки; широкое использование режимов управления и информационного обеспечения на грани потери устойчивости, характерных для сверхманевренных летательных аппаратов и систем сопровождения интенсивно маневрирующих целей; несоответствие динамических свойств воздушно-космических целей и авиационных перехватчиков; растущее усложнение информационного обеспечения систем наведения. Для эффективного функционирования в рамках этих направлений математический аппарат синтеза авиационных систем радиоуправления должен обеспечивать: эффективное наведение на цели, маневрирующие по сложным законам, в том числе и со сменой знаков производных; гарантированный увод от границ устойчивой (опасной) работы, в том числе для предотвращения столкновений при групповом применении; учет несоответствия динамических свойств цели и перехватчика; возможность перераспределения приоритетов управления в процессе наведения; универсальность формирования методов наведения; реализуемость алгоритмов информационного обеспечения. Анализ возможностей классических способов оптимизации, основанных на минимизации квадратичных функционалов качества показал, что они не способны удовлетворить совокупности этих требований и необходимы новые подходы к решению задач оптимизации систем радиоуправления. В качестве такого подхода предложено использовать синтез сигналов управления, оптимальных по минимуму квадратично-биквадратных функционалов качества. Рассмотрена методика использования такого подхода в рамках экономичной в вычислительном отношении локальной оптимизации. Приведен пример синтеза метода наведения, иллюстрирующий возможности формирования сигналов управления, обеспечивающих наведение инерционных летательных аппаратов на интенсивно маневрирующие цели на основе учета как линейных, так и нелинейных зависимостей от ошибок функционирования, и учета несоответствия динамических характеристик цели и перехватчика и проведен его анализ.

Тенденция к увеличению количества транспортных средств, особенно в крупных городах, а также неспособность существующей дорожно-транспортной инфраструктуры распределять транспортные потоки, ведут к чрезмерной загрузке транспортных сетей и образованию дорожных заторов. Нерешенность данных проблем подчеркивает актуальность навигационных задач нахождения кратчайшего пути или оптимального маршрута движения. Несмотря на популярность этих задач, многие существующие коммерческие системы строят маршрут движения в детерминированных сетях, не учитывая зависящие от времени и стохастические свойства транспортных потоков. В работе рассматривается задача нахождения надежного маршрута движения в стохастической транспортной сети, максимизирующего вероятность прибытия в пункт назначения в течение заданного интервала времени. Надежный кратчайший путь учитывает дисперсию времени прохождения сегментов дорожной сети, что делает его более применимым для решения задач маршрутизации в транспортных сетях по сравнению со стандартными алгоритмами поиска кратчайшего пути, учитывающими только среднее время прохождения дорожных сегментов. Для описания времени прохождения сегментов дорожной сети предлагается использовать параметрически заданные устойчивые распределения вероятностей Леви. Использование устойчивых распределений позволяет перейти от операции вычисления свертки для определения надежности пути к пересчету параметров плотности распределения, что значительно сокращает время исполнения алгоритма. В работе решается задача нахождения адаптивного маршрута движения. Адаптивность подразумевает зависимость выбора следующего используемого дорожного сегмента от времени прибытия в вершину графа и определяется реальным состоянием дорожной сети. Экспериментальный анализ алгоритма, проведенный на крупномасштабной транспортной сети города Самара, показал, что представленный алгоритм позволяет значительно сократить время решения задачи нахождения надежного маршрута движения при незначительном увеличении времени проезда.

Персональные мобильные устройства (гироскопы, двухколесные самобалансирующиеся транспортные средства, велосипеды и мотороллеры) становятся все более популярными в последние годы. Они помогают людям решать проблемы первой и последней мили в больших городах. Для того, чтобы обеспечить оператору возможность навигации в городе, а также повысить его безопасность, предлагается использовать интеллектуальную систему помощи оператору с использованием персонального смартфона, использующегося для формирования контекста и предоставления оператору рекомендаций. Под контекстом в статье понимается любая информация, характеризующая текущую ситуацию. Предполагается, что оператор устанавливает персональный смартфон таким образом, чтобы фронтальная камера была направлена на его лицо. Таким образом информация с фронтальной камеры и датчиков смартфона (GPS / ГЛОНАСС, акселерометр, гироскоп, магнитометр, микрофон) формирует контекст оператора. Представленная в статье система поддержки оператора ориентирована на обнаружение опасных ситуаций оператора персонального мобильного устройства: сонливость и невнимательность. Используя методы компьютерного зрения предлагается определение параметров лица оператора (глаз, носа, рта, угла наклона и угла поворота головы) и на основании анализа этих параметров выявление опасных ситуаций. В статье представлен анализ современных исследований по тематике интеллектуальных систем помощи водителям транспортных средств, предложен подход к обнаружению опасных ситуаций и генерации рекомендаций, а также проведены эксперименты с использованием предложенной системы и двухколесного самобалансирующегося транспортного средства.

Рассматривается задача исследования устойчивости планов применения средств управления активными подвижными объектами (АПО) – материальными объектами, перемещающимися в пространстве и осуществляющими информационное, вещественное и энергетическое взаимодействие с объектами и пунктами управления, другими АПО. Применение АПО по назначению обычно регламентируется жесткими требованиями, поэтому любая временная задержка или неполное достижение целевого эффекта недопустимы. Причиной срыва выполнения целевой задачи может быть разработка некорректного плана применения средств управления, процесс реализации которого оказывается неустойчивым вследствие влияния случайных факторов либо целенаправленных воздействий среды и других систем. В статье рассматриваются проблемные вопросы комплексного исследования устойчивости планов применения средств управления активными подвижными объектами. Авторами предлагаются количественные и качественные методы оценивания устойчивости планов, пути и способы обеспечения требуемых уровней устойчивости. При этом задача планирования рассматривается как динамическая, предусматривающая корректировку плана за счет организационных, структурных и программно-алгоритмических мероприятий по обеспечению устойчивости

Рассмотрен класс движущихся объектов, представляющих собой тела вращения, претерпевшие по тем или иным причинам необратимые деформации корпуса. Актуальность исследуемой задачи обусловлена как потребностью изучения динамики таких объектов, так и недостаточностью уже проведенных исследований, которые в основном сосредоточены на изучении эффектов аэроупругости или массовой асимметрии и не затрагивают динамику тел с необратимыми деформациями. Сформулирована проблема устойчивости движения, в том числе в процессе взаимодействия продольного и бокового движений деформированного тела. Особое внимание уделено движению искривленного тела при наличии вращения по углу крена и выявлению критических угловых скоростей крена. Отмечено, что для случая пассивного движения возможны три причины такого взаимодействия: аэродинамическое, кинематическое, инерционное. Разработан теоретический подход, учитывающий особенности геометрии деформированных тел, который позволил в рамках практических исследований определить допустимые уровни деформации и их связь с параметрами движения деформированных тел. Анализ устойчивости проводился на основе критериев устойчивости решений системы, описывающей движение тела согласно критерию Рауса — Гурвица. Определены параметры тела, которые в той или иной степени влияют на устойчивость движения. Отмечен более сложный вид кривой границы устойчивости для данной угловой скорости по крену, чем простая гипербола. Также показана возможность прямого решения нелинейного относительно определяющих параметров уравнения, что позволит получать зависимости критических угловых скоростей крена и диапазонов устойчивости от этих параметров. Математическое моделирование на основе разработанных методик, проведенное для прямого и искривленного тел, показало, что искривление тела существенно влияет на смещение линий производных моментов тангажа по углу атаки и моментов рыскания по углу скольжения относительно границ устойчивости. Определен диапазон угловых скоростей по крену, в котором наблюдается потеря устойчивости для искривленного тела. Проанализировано влияние вариаций угловой скорости и относительного изменения производной коэффициента момента рыскания по углу скольжения на значение определяющего коэффициента из условий устойчивости для прямого и искривленного тел. Показано, как искривление тела приводит к сдвигу седловой точки. Изучено влияние изменения числа Маха на коэффициент характеристического уравнения, который определяет устойчивость движения системы по критерию Рауса — Гурвица.

Рассматривается задача синтеза систем управления нелинейными объектами с дифференцируемыми нелинейностями. Актуальность этой задачи обусловлена трудностями практического синтеза нелинейных систем управления большинством известных методов. Во многих случаях даже обеспечение этими методами только устойчивости положения равновесия синтезируемой системы представляет большую сложность. Отличительной особенностью рассматриваемого ниже метода синтеза нелинейных систем управления является использование моделей нелинейных объектов, представленных в квазилинейной форме. Эта форма нелинейных дифференциальных уравнений существует, если нелинейности в их правых частях являются дифференцируемыми по всем своим аргументам. Квазилинейная модель объекта управления позволяет свести задачу синтеза к решению алгебраической системы уравнений. Эта алгебраическая система имеет единственное решение в случае, когда объект является управляемым в соответствии с приведенным в статье условием управляемости, которое аналогично условию управляемости критерия Калмана. Процедура синтеза нелинейных систем управления на основе квазилинейных моделей объектов является очень простой. Практически, она близка к известному полиномиальному методу синтеза линейных систем управления. Уравнения нелинейных систем, синтезированных с применением квазилинейных моделей, могут быть всегда представлены в квазилинейной форме. Основным результатом статьи является доказательство теоремы и следствия из нее об условиях асимптотической устойчивости в целом положения равновесия нелинейных систем управления, синтезированных на основе квазилинейных моделей объектов. При доказательстве теоремы и следствия используются свойства простых матриц и известные теоремы об устойчивости возмущенных систем дифференциальных уравнений. Порядок исследования устойчивости положения равновесия квазилинейных систем управления на основе доказанной теоремы иллюстрируется численными примерами. Компьютерное моделирование синтезированных квазилинейных систем управления свидетельствует о корректности условий доказанной теоремы. Полученные результаты позволяют более обоснованно применять метод синтеза нелинейных систем на основе квазилинейных моделей при создании различных систем управления объектами энергетической, авиационной, космической, робототехнической и других отраслей промышленности.

Широкое распространение мобильных беспроводных устройств (смартфонов, планшетов и пр.) остро ставит вопрос о криптографической защите передаваемой этими устройствами информации, что, в свою очередь, требует обеспечения этих устройств ключами, а также решения задачи их аутентификации. В последнее время актуализировались исследования способов аутентификации ключей в рамках сценария сопряжения (спаривания) мобильных устройств. В этих условиях мобильные устройства располагаются близко друг к другу, вплоть до физического контакта, и между ними создается защищенный от перехвата дополнительный канал обмена данными с целью аутентификации ключей. Анализ дополнительных каналов — визуального, акустического, вибрационного, тактильного, магнитометрического — выявил преимущества последнего по скорости и достоверности аутентификации, а также удобству использования этого канала по сравнению с другими способами. Магнитометрический канал образуется при наличии в мобильных устройствах магнитометров, измеряющих магнитное поле Земли. Случайные колебания магнитного поля в точке измерения позволяют получить в двух мобильных устройствах совпадающие с большой вероятностью случайные последовательности, которые могут быть использованы для аутентификации сеансовых ключей. В статье исследуется протокол под названием Magparing, который предназначен для аутентификации ключей мобильных устройств, распределяемых по методу Диффи — Хеллмана, на основе использования показаний магнитометров этих устройств. Детальный анализ этого протокола показал его уязвимость к атаке «человек-посередине». Уязвимость протокола также подтверждена с помощью программы анализа безопасности протоколов AVISPA. Предложен безопасный способ аутентификации ключей (значений Диффи — Хеллмана) на основе аутентифицирующих помехоустойчивых кодов (АП-кодов). Аутентификаторы для значений Диффи — Хеллмана формируются на основе блоков АП-кода и случайных последовательностей, полученных из показаний магнитометров. Предложен подход к оптимизации параметров АП-кода, обеспечивающего выполнение требований по вероятности ложного отклонения и вероятности навязывания ключа заданной длины при минимизации длины цепочки магнитометрических данных, расходуемых в процедуре аутентификации. Приведен пример выбора параметров кода для аутентификации ключа длиной 256 бит, обеспечивающего вероятностью навязывания ложного ключа не более 10 -9 при вероятности ложного отклонения истинного ключа -10 -6 , что свидетельствует о реализуемости этого способа аутентификации.

Статья посвящена анализу проблемы определения автора исходного кода, которая представляет интерес для исследователей в области информационной безопасности, компьютерной криминалистики, оценки качества образовательного процесса, защиты интеллектуальной собственности. Представлен подробный анализ современных решений проблемы. Предлагаются две новые методики идентификации на основе алгоритмов машинного обучения: машины опорных векторов, фильтра быстрой корреляции и информативных признаков; гибридной сверточно-рекуррентной нейронной сети. Эксперименты проводились на базе исходных кодов, написанных на наиболее популярных языках программирования. В экспериментальную базу вошли экземпляры исходных кодов, написанных на Java, C++, Python, PHP, JavaScript, C, C# и Ruby. Данные были получены с веб-сервиса для хостинга IT-проектов Github. Общее количество исходных кодов превышает 150 тысяч образцов, средняя длина каждого из которых составляет 850 символов. Размер корпуса — 542 автора. С помощью перекрестной проверки по 10 блокам оценена точность разработанных методик для различного количества авторов. Для наиболее популярного языка программирования Java проведен дополнительный ряд экспериментов с количеством авторов от 2 до 50 и приведены графики зависимости точности идентификации от размера корпуса. Анализ результатов показал, что методика на основе гибридной нейронной сети способна достигать точности 97%, что является наилучшим результатом на сегодняшний день. Методика на основе машины опорных векторов позволила добиться точности 96%. Гибридная нейронная сеть оказалась точнее машины опорных векторов в среднем на 5%.

Разработан подход для сравнительного анализа коллекций научных журналов на основе анализа графа соавторств и модели текста. Использование временных рядов метрик графа соавторства позволило провести анализ тенденций в развитии коллабораций авторов журнала. Модель текста была построена с помощью методов машинного обучения. При помощи модели текста была произведена классификация контента журналов для выявления степени аутентичности различных журналов и различных выпусков одного журнала. Разработана метрика Коэффициент контентной аутентичности, позволяющая количественно оценивать аутентичность коллекций журналов в сравнении. Сравнительный тематический анализ коллекций журналов выполнен с использованием тематической модели с аддитивной регуляризацией. На основании созданной тематической модели авторами построены тематические профили архивов журналов в едином тематическом базисе. Разработанный подход был применен к архивам двух журналов по тематике Ревматология за период 2000 – 2018 гг. В качестве эталона для сравнения метрик соавторств были взяты публичные наборы данных научной лаборатории SNAP Стендфордского университета. Проведено сравнение коллабораций соавторов журналов по тематике Ревматология с эталонными коллаборациями авторов. Произведено количественное сопоставление больших объемов текстов и метаданных научных статей. В результате проведенного авторами эксперимента с использованием разработанных методик показано, что контентная аутентичность выбранных журналов составляет 89%, соавторства в одном из журналов имеют ярко выраженную центральность, что является отличительной чертой редакционной политики. Наглядность и непротиворечивость полученных результатов подтверждает эффективность предложенного подхода. Разработанный в ходе эксперимента код на языке программирования Python может быть применен для сравнительного анализа других коллекций журналов на русском языке.