Том 20, № 3 (2021)
Искусственный интеллект, инженерия данных и знаний
Аналитический обзор систем автоматического определения депрессии по речи
Аннотация
В последние годы в медицинской и научно-технической среде возрос интерес к задаче автоматического определения наличия депрессивного состояния у людей. Депрессия является одним из самых распространенных психических заболеваний, непосредственно влияющих на жизнь человека. В данном обзоре представлены и проанализированы работы за последние два года на тему определения депрессивного состояния у людей. Приведены основные понятия, относящиеся к определению депрессии, описаны как одномодальные, так и многомодальные корпусы, содержащие записи информантов с установленным диагнозом депрессии, а также записи контрольных групп,людей без депрессии. Рассмотрены как теоретические исследования, так и работы, в которых описаны автоматические системы для определения депрессивного состояния — от одномодальных до многомодальных. Часть рассмотренных систем решает задачу регрессивной классификации, предсказывая степень тяжести депрессии (отсутствие, слабая, умеренная, тяжелая), а другая часть – задачу бинарной классификации, предсказывая наличие заболевания у человека или его отсутствие. Представлена оригинальная классификация методов вычисления информативных признаков по трем коммуникативным модальностям (аудио, видео и текстовая информация). Описаны современные методы, используемые для определения депрессии в каждой из модальностей и в совокупности. Наиболее популярными методами моделирования и распознавания депрессии в рассмотренных работах являются нейронные сети. В ходе аналитического обзора выявлено, что основными признаками депрессии считаются психомоторная заторможенность, которая влияет на все коммуникативные модальности, и сильная корреляция с аффективными величинами валентности, активации и доминации, при этом наблюдается обратная корреляция между депрессией и агрессией. Выявленные корреляции подтверждают взаимосвязь аффективных расстройств с эмоциональными состояниями человека. В множестве рассмотренных работ наблюдается тенденция объединения модальностей для улучшения качества определения депрессии.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):497-529
497-529
Модель информационного взаимодействия элементов многоуровневой системы цифровых двойников
Аннотация
Одной из значимых проблем исследования процессов и явлений в окружающей среде является характерная для технических средств их регистрации пространственно-временная анизотропия. Причиной тому является зачастую крайне неравномерное распределение средств мониторинга по земной поверхности, а также многочисленные выбросы и пропуски в данных, обусловленные как несовершенством используемого оборудования, так и человеческим фактором. Одним из вариантов решения проблемы является применение многоуровневой системы цифровых двойников, базирующихся на соответствующих отраслевых моделях и пополняемой базе архивных данных, что в совокупности с физическими прототипами технических систем обеспечивает высокую плотность покрытия земной поверхности и возможность восстановления соответствующих данных. Вместе с тем нерешенным по-прежнему остается вопрос организации информационного взаимодействия между уровнями системы цифровых двойников, что в значительной степени усугубляется постоянно растущим объемом данных и их неоднородным характером. В работе предлагается организация информационного взаимодействия в системе цифровых двойников на основе формализованного механизма пакетирования пространственно-временной информации, при котором идентификация источников данных выполняется посредством иерархической системы бинарной токенизации. На примере технических систем мониторинга параметров геомагнитного поля и его вариаций рассматриваются особенности практической реализации такого подхода, отличительной особенностью которого является комбинирование традиционной клиент-серверной и инновационной бессерверной архитектур, для реализации высоконагруженного реактивного веб-приложения для работы с анализируемыми данными. Результаты проведенных вычислительных экспериментов подтвердили эффективность предложенных решений, выраженной как в повышении реактивности клиент-ориентированных приложений, так и в увеличении вычислительной скорости формирования и заполнения информационных хранилищ, агрегирующих информацию из распределенных гетерогенных источников.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):530-561
530-561
Формализация регулятивных текстов
Аннотация
Современные информационные технологии с высокой эффективностью обеспечивают процессы манипулирования текстами. В первую очередь это хранение, редактирование и форматирование текстов и их составляющих. Добившись значительных успехов в разработке средств бессодержательной компьютерной обработки текстов, исследователи столкнулись с проблемами их содержательной обработки. Поэтому дальнейшие шаги в этом направлении связаны с созданием, в том числе, методов автоматизированного целенаправленного манипулирования текстами с учетом заложенного в них содержания. Проведен анализ работ, посвященных исследованию проблем формального представления текстов и их последующего использования. Несмотря на ряд успешных проектов, задачи по разрешению проблемы соотношений между содержанием текста и его смыслом остаются актуальными. По-видимому, формализация текста общего назначения при сохранении его семантики на данном этапе развития науки не осуществима. Вместе с тем существуют типы текстов, для которых формализация с сохранением существенной части их семантики представляется возможной. Одним из них является регулятивный тип текста, который по существу представляет собой словесно выраженный алгоритм последовательности целенаправленных действий. Его отличают логичность и точность (отсутствие иносказаний), связность и цельность, ясность, понятность (за счет отсутствия эмоциональной окраски и образных средств), доступность (за счет использования специфической терминологии). Иначе говоря, при разработке регулятивных текстов обычно стараются как можно понятнее отображать механизмы описываемых действий. Цель: разработка метода формализации регулятивного текста с сохранением его семантики. Методы: структурная лингвистика, представление объектов в виде онтологии, конструктивные алгоритмы. Использование данного метода демонстрируется на примере описания решения системы алгебраических уравнений. Результаты: метод построения математической модели регулятивного текста. Практическая значимость: применение разработанного метода обеспечивает возможность разработки программных комплексов для построения библиотек отдельных предметных областей, разработки средств оценки регулятивных текстов на предмет их определенности, полноты, связности и других характеристик, а также тренажеров и средств самообучения.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):562-590
562-590
Реализация поведенческих функций на спайковых нейронных сетях
Аннотация
Рассматривается вопрос моделирования поведенческих функций животных, в частности, моделирование и реализация условного рефлекса. Производится анализ современного состояния нейронных сетей с возможностью структурного реконфигурирования. Моделирование осуществляется посредством нейронных сетей, которые строятся на основе сегментной спайковой модели нейрона с возможностью структурной адаптации к входному паттерну импульсов. Сегментная спайковая модель нейрона способна изменять свою структуру (размер тела клетки, количество и длина дендритов, количество синапсов) в зависимости от поступающего на её входы паттерна импульсов. Приведено краткое описание сегментной спайковой модели нейрона, отмечены её основные особенности с точки зрения возможности её структурного реконфигурирования. Описывается способ структурной адаптации сегментной спайковой модели нейрона к входному паттерну импульсов. Для исследования работы предложенной модели нейрона в сети, в качестве примера обосновывается выбор условного рефлекса, как частного случая формирования ассоциативных связей. Приведено описание структурной схемы и алгоритма формирования условного рефлекса как с положительным, так и с отрицательным подкреплением. Представлено пошаговое описание экспериментов по формированию ассоциативных связей вообще и условного рефлекса (как с положительным, так и с отрицательным подкреплением), в частности. Сделан вывод о перспективности применения спайковых сегментных моделей нейронов для повышения эффективности реализации поведенческих функций в нейроморфных системах управления. Рассмотрены дальнейшие перспективные направления развития нейроморфных систем, основанных на спайковых сегментных моделях нейрона.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):591-622
591-622
Эффективный алгоритм классификации естественного языка обнаружения повторяющихся контролируемых признаков
Аннотация
Эта статья фокусируется на том, чтобы уловить смысл значения текстовых функций понимания естественного языка (NLU) для обнаружения дубликатов неконтролируемых признаков. Особенности NLU сравниваются с лексическими подходами для доказательства подходящей методики классификации. Подход трансфертного обучения используется для обучения извлечению признаков в задаче семантического текстового сходства (STS). Все функции оцениваются с помощью двух типов наборов данных, которые принадлежат отчетам об ошибках Bosch и статьям Википедии. Цель данного исследованияструктурировать последние исследовательские усилия путем сравнения концепций NLU для описания семантики текста и применения их к IR. Основным вкладом данной работы является сравнительное исследование измерений семантического сходства. Экспериментальные результаты демонстрируют результаты функции Term Frequency–Inverse Document Frequency (TF-IDF) для обоих наборов данных с разумным объемом словаря. Это указывает на то, что двунаправленная долговременная кратковременная память (BiLSTM) может изучать структуру предложения для улучшения классификации.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):623-653
623-653
Математическое моделирование и прикладная математика
Построение комплексных расписаний выполнения пакетов заданий при формировании комплектов в заданные директивные сроки
Аннотация
Современное состояние решения задачи комплексного планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах характеризуется отсутствием универсальных способов формирования решений по составам пакетов, наличием ограничений на размерность задачи и невозможностью гарантированного получения эффективных решений при различных значениях ее входных параметров, а также невозможностью учета условия формирования комплектов из результатов. В статье авторами реализовано решение задачи планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах при формировании комплектов результатов в заданные для них директивные сроки. Для решения задачи планирования выполнена декомпозиция обобщенной функции системы на совокупность иерархически взаимосвязанных подфункций. Применение декомпозиции позволило использовать иерархический подход для планирования выполнения пакетов заданий в многостадийных системах, предусматривающий определение решений по составам пакетов на верхнем уровне иерархии и построение расписаний выполнения пакетов на нижнем уровне иерархии. Для оптимизации решений по составам пакетов и расписаниям их выполнения в соответствии с иерархическим подходом применена теория иерархических игр. Построена математическая модель иерархической игры для определения эффективных составов пакетов заданий и расписаний их выполнения, представляющая собой систему критериев на уровнях принятия решений. Оценка эффективности решений по составам пакетов на верхнем уровне иерархии обеспечивается распределением результатов выполнения заданий по комплектам в соответствии с сформированным расписанием. Для оценки эффективности решений по составам пакетов сформулирован метод упорядочивания идентификаторов типов комплектов с учетом директивных сроков и метод распределения результатов выполнения заданий по комплектам, реализующий вычисление моментов времени окончания формирования комплектов и запаздываний с их формированием относительно заданных директивных сроков. Выполнены исследования планирования процесса выполнения пакетов заданий в многостадийных системах при условии формирования комплектов в заданные директивные сроки. На их основе сформулированы выводы, касающиеся зависимости эффективности планирования от входных параметров задачи.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):654-689
654-689
Метод оптимизации траектории мобильного робота в поле источников-репеллеров
Аннотация
Рассматривается процедура корректировки траектории движения робототехнической платформы (РТП) на плоскости с целью снижения вероятности её поражения/обнаружения в поле конечного числа источников-репеллеров. Каждый из таких источников описан математической моделью некоторого фактора противодействия целостности или скрытности РТП. Указанная процедура основана, с одной стороны, на понятии характерной вероятностной функции системы источников-репеллеров, позволяющем оценивать степень влияния этих источников на движущуюся РТП. Из этого понятия вытекает используемая здесь в качестве показателя оптимизации целевой траектории вероятность её успешного прохождения. С другой стороны, эта процедура базируется на решении локальных оптимизационных задач, позволяющих корректировать отдельные участки исходной траектории с учетом нахождения в их окрестностях конкретных источниковрепеллеров с заданными параметрами. Каждый из таких источников характеризуется потенциалом, частотой воздействия, радиусом действия и параметрами спада поля. Корректировка траектории происходит итерационно и учитывает целевое значение вероятности прохождения. Основным ограничением на вариацию исходной траектории является максимально допустимое отклонение измененной траектории от исходной. Если такого ограничения нет, то задача может потерять смысл, поскольку тогда можно выделить область, охватывающую все препятствия и источники, и обойти её по периметру. Поэтому осуществляется поиск такого локального экстремума, который соответствует допустимой кривой в смысле указанного ограничения. Предлагаемая в настоящей работе итерационная процедура позволяет проводить поиск соответствующих локальных максимумов вероятности прохождения РТП в поле нескольких произвольно расположенных и ориентированных источников в некоторой окрестности исходной траектории. Вначале ставится и решается задача оптимизации траектории при условии движения в поле одного источника с областью действия в виде кругового сектора, затем полученный результат распространяется на случай нескольких аналогичных источников. Основной проблемой исследования является выбор общего вида функционала в каждой точке исходной кривой, а также его коэффициентов настройки. Показано, что выбор этих коэффициентов настройки есть адаптивная процедура, входными переменными которой являются характерные геометрические величины, описывающие текущую траекторию в поле источников. Для устранения осцилляций, возникающих вследствие локальности предлагаемой процедуры, применяются стандартные процедуры медианного сглаживания. Результаты моделирования показывают высокую эффективность предложенной процедуры для корректировки ранее спланированной траектории.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):690-726
690-726
Вероятностный анализ обобщённой статистической модели многолучевого канала SIMO системы с замираниями и коррелированными затенениями
Аннотация
Рассмотрена задача анализа характеристик процесса передачи информации многоэлементными системами связи в условиях многолучевого канала распространения сигнала. Для обобщения эффектов распространения была выбрана модель канала κ–μ с коррелированными затенениями, а в качестве используемой технологии организации многоэлементной системы – SIMO система, использующая дифференциально-взвешенное комбинирование сигнала на приёмной стороне. Для описания характеристик процесса передачи информации использовался подход на основе статистик высшего порядка эргодической пропускной способности. В рамках исследования были получены аналитические выражения для статистик произвольного порядка для рассматриваемой модели канала. Проведён анализ поведения первых четырёх статистик (эргодической пропускной способности, величины надёжности, коэффициентов асимметрии и эксцесса) в зависимости от характеристик канала (количества многопутевых кластеров распространения, доли мощности, приходящейся на доминантные компоненты, степени затенения доминантных компонент и коэффициента корреляции затенений). В рамках исследования были рассмотрены 4 ситуации поведения исследуемой модели канала, существенно различающиеся по своим свойствам. Отмечено, что в отличие от пропускной способности, статистики высшего порядка оказываются существенно более чувствительными к параметрам канала и, как следствие, являются более значимыми индикаторами флуктуации скорости передачи информации в канале связи. Обнаружено наличие ярко выраженного экстремума (минимума) зависимости надёжности эргодической пропускной способности от среднего соотношения сигнал/шум, что с практической точки зрения важно учитывать при предъявлении требований к величине отношения сигнал/шум в канале, обеспечивающей желаемое качество функционирования системы связи.
Информатика и автоматизация. 2021;20(3):727-749
727-749