Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Известия Самарского научного центра Российской академии наук
Статья научная
В работе рассмотрено математическое моделирование динамического поведения дизельгенераторной установки (ДГУ) с двухкаскадной системой подвески, включающей резиновые амортизационные опоры. Конструкция ДГУ моделируется в виде двухмассовой механической системы с упругими связями. Получены уравнения динамики в виде системы дифференциальных уравнений. Разработан алгоритм расчета динамических перемещений агрегата и рамы, а также программный комплекс, реализующий данный алгоритм. Представлены результаты численного исследования существующей конструкции ДГУ.
Бесплатно
Математическое моделирование многокомпонентных перемещений и оптический метод их измерения
Статья научная
В статье даны основы оптических измерений информативных составляющих сложных перемещений подвижных объектов на основе метода многомерных тестовых объектов. Дана концепция векторной многокомпонентной физической величины, которая представляет собой новый взгляд на векторные величины в целом и на величины, характеризующие перемещения и деформации механических систем и других механических объектов, в частности. Приведенный в работе аппарат формального построения моделей многокомпонентных перемещений позволяет автоматически включить встраивание в них информативных составляющих многокомпонентных многомерных тестов, что делает процедуру реализации метода измерения логически завершенной.
Бесплатно
Статья научная
В этой статье предлагается модифицированный полулагражевый численный метод предыдущей опубликованной работы автора и рассматривается его применение к задачам поглощения более сильной ударной волной более слабой ударной волны. Известно, что одним из недостатков методов типа Эйлера с высоким разрешением для точного разрешения масштабов плавного потока и одновременным выявлением разрывов является численная вязкость на ударных волнах. При проходе ударной волны параметры потока резко изменяются на расстоянии, равном длине свободного пробега молекулы газа, что значительно меньше размера ячейки расчетной сетки. Из-за численной вязкости вышеупомянутые методы типа Эйлера растягивают изменение параметров ударной волны на несколько ячеек сетки. Поэтому в предыдущих работах автора был предложен полулагранжев метод Годунова без численной вязкости для ударных волн. В этом методе решаются одномерные уравнения Эйлера, но они разбиваются на части, описывающие конвекцию и акустические процессы отдельно с соответствующими разными шагами по времени. При этом дополнительно используется итерационный точный решатель Годунова, поскольку инварианты Римана не сохраняются для умеренных и сильных скачков в идеальном газе. Данный итерационный решатель определяет точность предлагаемого метода для разрывов потока. В расчетах использовалось условие завершения итераций при достижении разницы давлений между текущей и предыдущей итерациями менее 10-5. Предлагаемый здесь метод относится к группе методов частиц в ячейке - particle-in-cell (PIC). Насколько известно автору, на момент выхода его первой статьи в 2011 г., посвященной данному методу, подобных численных схем PIC, использующих итерационный точный решатель Годунова, не существовало. В ударных волнах для предложенного метода свойства течения изменяются мгновенно (с точностью, зависящей от размера ячейки сетки). В предыдущей работе автора от 2024 г. была предложена единая формула распределения плотности для волны разрежения, в то время, как в статье автора 2022 г. использовался линейный закон распределения параметров течения при моделировании задачи Шу и Ошера с целью снижения паразитных колебаний и нелинейный закон, полученный из инвариантов Римана, для остальных тестовых задач. В данной работе предлагается дальнейшее развитие численной схемы метода, описанного в предыдущей статье автора 2024 г., а именно очередная модификация метода для моделирования сильных ударных волн и его применение для задачи поглощения более сильной ударной волной более слабой ударной волны. Результаты численного анализа для двух тестовых задач сравниваются с данными статьи автора от 2022 г. и с результатами схемы Total Variation Deminishing (TVD), предложенной Хартеном. К сожалению, получение точных решений для рассмотренных задач затруднительно.
Бесплатно
Статья научная
Строится дискретная динамическая математическая модель процесса снабжения предприятия, включающая процесс закупки, складирования и передачи в производство сырья, материалов и комплектующих. Модель строится на основе структуры бухгалтерского учета, что позволяет легко идентифицировать параметры модели и интерпретировать результаты моделирования. Приводится иллюстративный пример.
Бесплатно
Математическое моделирование процесса сушки древесных отходов
Статья научная
В статье рассматриваются вопросы математического моделирования процесса влагоудаления, как при постоянном подводе тепла к высушиваемому материалу, так и при осциллирующем подводе теплоты. Приводится зависимость термоградиентного коэффициента от влажности и температуры.
Бесплатно
Математическое моделирование процессов фотосинтеза в объектах облучения
Статья научная
Статья посвящена разработке математической модели эффективности облучательных установок, которая позволит оптимизировать затраты электроэнергии на досвечивание растений в теплицах, без экономических потерь. В ходе написания статьи были проанализированы работы ряда учёных, ведущих исследования в области изучения хлорофилла, фотосинтеза и процессов, происходящих в зелёном листе растения. На их основе была создана схематичная структура работы фотосинтезирующего аппарата растений, и составлены кинетические дифференциальные уравнения, описывающие структуру и функционирование фотосинтезирующего хлорофиллового аппарата зелёных растений. В результате работы были получены математические выражения, описывающие изменение концентраций основных веществ, участвующих в образовании структуры фотосинтезирующего аппарата и накоплении продуктов фотосинтеза. Решив эти уравнения совместно, будут получены характеристики фотосинтезирующих объектов в динамическом режиме. Полученная система является первоначальной математической моделью, описывающей процессы утилизации лучистой энергии в зелёном листе и настройку фотосинтезирующего аппарата. Её оптимальное решение будет использовано при экспериментальном определении режима облучения, позволяющего максимально использовать лучистую энергию при искусственном досвечивании растений в теплицах.
Бесплатно
Статья научная
Одним из наиболее важных и сложных эффектов при моделировании течения сжимаемой жидкости является механизм распознавания ударных волн. Было предложено множество методов типа Эйлера с высоким разрешением для точного разрешения масштабов плавного потока и одновременного выявления разрывов. Одним из недостатков этих методов является численная вязкость на ударных волнах. При проходе ударной волны параметры потока резко изменяются на расстоянии, равном длине свободного пробега молекулы газа, что значительно меньше размера ячейки расчетной сетки. Из-за численной вязкости вышеупомянутые методы типа Эйлера растягивают изменение параметров ударной волны на несколько ячеек сетки. В данной работе предлагается полулагранжев метод Годунова без численной вязкости для ударных волн. Другой хорошо известный подход - это метод характеристик, который не имеет числовой вязкости и использует инварианты Римана или решатели для моделирования явления гидроудара, но в его формулировке обычно пренебрегают конвективными членами. Здесь используется аналогичный подход для решения одномерных уравнений Эйлера, но уравнения разбиваются на части, описывающие конвекцию и акустические процессы отдельно, с соответствующими разными шагами по времени. При этом дополнительно используется итерационный точный решатель Годунова, поскольку инварианты Римана не сохраняются для умеренных и сильных скачков в идеальном газе. Предлагаемый метод относится к группе методов частиц в ячейке - particle-in-cell (PIC). Насколько известно автору, на момент выхода его первой статьи в 2011 г., посвященной данному методу, подобных численных схем PIC, использующих итерационный точный решатель Годунова, не существовало. В ударных волнах для предложенного метода свойства течения изменяются мгновенно (с точностью, зависящей от размера ячейки сетки). В данной статье описано дальнейшее развитие численной схемы предложенного метода, а именно единая математическая формулировка для расширенного набора тестовых задач, рассмотренных во второй статье автора от 2022 г. В то время, как в статье 2022 г. использовался линейный закон распределения параметров течения для волны разрежения при моделировании задачи Шу и Ошера для снижения паразитных колебаний и нелинейный закон, полученный из инвариантов Римана, для остальных тестовых задач. Полученные результаты численного анализа для данных случаев (например, стандартная задача Сода об ударной трубе, задача Лакса в формулировке Римана, задача Шу и Ошера об ударной трубе) сравниваются с точным решением и данными статьи от 2022 г. Итерационный точный решатель Годунова определяет точность предлагаемого метода для разрывов потока. В расчетах использовалось условие завершения итерации менее 10-5 для нахождения разницы давлений между текущей и предыдущей итерациями.
Бесплатно
Статья научная
В работе представлена постановка задачи оптимизации геометрической формы поперечного сечения ствола автоматической пушки на основе взаимосвязанных математических моделей внутренней баллистики и напряженно-деформированного состояния ствола в процессе стрельбы очередями. Исследуются стволы автоматической пушки с классическим поперечным кольцевым сечением и с ребрами жесткости двух типов. Целевая функция задачи оптимизации - минимизация амплитуды поперечных колебаний ствола. Ограничениями в задаче оптимизации являются максимальная масса ствола и минимально допустимая толщина стенок канала ствола, определяемая в соответствии с теорией наибольших деформаций. Управляемыми переменными для ствола с классическим кольцевым сечением являлись внешние диаметры ствола, а для стволов с ребрами жесткости - их геометрические характеристики. Динамка распределения давления внутри ствола определялась из решения задачи внутренней баллистики. Колебания дульного среза определялись на основе решения задачи напряженно-деформированного состояния ствола в одномерной постановке. Поиск оптимальной геометрической формы ствола осуществлялся методом Нелдера-Мида, ограничения учитывались с помощью метода штрафной функции. Показана возможность уменьшения амплитуды колебаний ствола и повышения кучности стрельбе более чем в 2 раза.
Бесплатно
Метод граф-моделирования семантических зависимостей на основе контекстных эмбеддингов
Статья научная
В статье рассматривается задача тематического анализа научно-популярных текстов об атомной энергетике на основе метода граф-моделирования семантических зависимостей, использующего контекстные векторные представления. После предобработки корпуса тексты переводятся в контекстные векторные представления, затем документы группируются на тематические кластеры вероятностным методом на основе смеси гауссовых распределений. На множестве полученных кластеров формируется взвешенный граф, в вершинах которого расположены темы, а веса рёбер отражают интенсивность их совместной встречаемости в отдельных документах. Качество кластеризации и структуры графа оценивается с использованием показателей когерентности тем, модульности разбиения и силуэтного коэффициента, что обеспечивает комплексную количественную характеристику полученной тематической структуры. Анализ топологии графа демонстрирует иерархическое разбиение тематического пространства корпуса на крупные содержательные области и позволяет идентифицировать семантически центральные темы. Полученные результаты подтверждают эффективность предложенного метода граф-моделирования семантических зависимостей на основе контекстных векторных представлений для тематического анализа специализированных текстовых коллекций.
Бесплатно
Статья научная
Предложен метод извлечения биомеханических параметров походки из данных двумерного скелетного видеоанализа и их статистической оценки относительно стратифицированных популяционных норм, не требующий калибровки камеры и измерения антропометрических характеристик обследуемого. На выборке из 398 участников открытого набора Health&Gait установлено, что нормализация по полной высоте тела обеспечивает наименьший коэффициент вариации масштаба CV = 3,16 % и оптимальна для 88,4 % участников. Сформирован набор из 16 скорируемых параметров в шести клинических доменах, построены перцентильные нормативные интервалы для шести демографических групп по стандарту CLSI EP28-A3c и ГОСТ Р 53022.3-2008, разработана скоростно-условная оценка с трёхуровневой шкалой тяжести отклонений. Валидация параметров относительно инструментальной системы OptoGait показала индивидуальную корреляцию r = 0,365–0,388, соответствующую опубликованному авторами набора данных диапазону и отвечающую физическому пределу 2D-видеоанализа без калибровки; средняя абсолютная ошибка длины шага на 32 % ниже авторского результата. Нормативные медианы согласованы с медианами инструментальной системы OptoGait (средний знаковый сдвиг менее 1 %), а нормативные центры переносятся между двумя независимыми наборами данных (отношение медиан 0,94–0,98). Диагностическая валидация на клинической когорте KOA-PD-NM (187 записей пациентов с гонартрозом и болезнью Паркинсона и здоровых участников, зарегистрированных иной камерой) показала специфичность 98,9 % на внутренней leave-one-out выборке, 84,7 % — на внешней, чувствительность 40,6 % для значимых и 99,2 % для любых уровней отклонения. Предложенный метод применим для популяционного скрининга и мониторинга нарушений походки вне специализированной лаборатории.
Бесплатно
Статья научная
Распределения долей тем, получаемых методом латентного размещения Дирихле (LDA), как правило, существенно отклоняются от нормальных. Они обладают выраженной нелинейностью и U-образной формой, концентрируясь возле 0 и 1. Это создает проблемы при использовании тематических признаков в линейных и интерпретируемых моделях, которые предполагают симметричность и нормальность данных. В данной работе предлагается метод линеаризации распределений LDA-тем, основанный на вероятностном интегральном преобразовании с использованием смеси бета-распределений и последующем probit-преобразовании. После этого осуществляется центрирование и сферическое whitening-преобразование признаков. Предложенный метод существенно выравнивает распределения тематических признаков, приближая их к нормальному виду. В результате в регрессионных моделях вида «целевая переменная ~ темы» наблюдается рост коэффициента детерминации на 28% относительно исходных признаков и снижение среднеквадратичной ошибки по сравнению с моделями на необработанных признаках. Кроме того, улучшается соответствие допущениям Гаусса–Маркова. Уменьшается гетероскедастичность остатков и устраняется мультиколлинеарность признаков. Представленный подход расширяет возможности обработки текстов. Он повышает интерпретируемость тематических моделей и облегчает включение LDA-тем в байесовские и классические линейные модели для задач прогноза и анализа.
Бесплатно
Метод калибровки мультиспектральных снимков беспилотных летательных аппаратов
Статья научная
Рассматривается проблема необходимости калибровки мультиспектральных снимков беспилотных летательных аппаратов. Предложен метод калибровки, позволяющий учесть влияние условий съемки на отражательные способности поверхностей. Приведены результаты расчета вегетационного индекса для снимка, откалиброванного с использованием описанного метода и без него.
Бесплатно
Метод конверсационного анализа для оценки активности и тональности сообществ в социальных сетях
Статья научная
В данной работе предлагается использовать метод конверсационного анализа для анализа активности и тональности сообществ. Данные для исследования были собраны из социальных сетей. Апробированная технология анализа активности сетевых групп по предвыборной тематике была использована на практике для определения активности и тональности сообществ. Полученные результаты показывают, что в активных группах существует сильная взаимосвязь между новостью и тематическими комментариями, связанными с ней.
Бесплатно
Статья научная
В пространственных спектрах пропускания или отражения многомодовых плазмонных слоистых структур, элементы которых допускают возбуждение отдельных плазмонных мод, а также их взаимосвязь, наблюдаются асимметричные резонансы. Традиционно для описания амплитуды полей для фиксированных спектральных параметров в таких системах слоев используется метод передаточных матриц, что не раскрывает природу возникающих резонансов. Ранее были разработаны аналитические аппроксимации асимметричных резонансов Фано для однои двухмодовых систем, которые не могут быть расширены на системы с произвольным количеством слоев и возбуждаемых мод. В настоящей работе разработан новый математический метод получения аналитических выражений вида формул Фано как функций от геометрических и оптических параметров составных плазмонных систем. Для асимметричных резонансов в спектрах предлагается ввести представление поля как интерференцию резонансных и нерезонансных компонент в формализм метода передаточных матриц. Разработанный метод позволяет получить аналитические выражения для параметров формулы Фано, что необходимо для описания поведения таких резонансных характеристик составных плазмонных систем, как ширина, высота, максимальное усиление поля.
Бесплатно
Метод моделирования характеристик поглощающих слоистых интерференционных резонаторов
Статья научная
Построение математических моделей как резонансных систем со структурными и материальными параметрами, так и окружающей их среды на основе экспериментальных измерений оптических спектров, широко используется, например, в оптической сенсорике, фильтрации, спектроскопии. В сенсорике или инфракрасной спектроскопии актуальной задачей является оценка поглощения в сплошных средах, при этом, чем меньше характерные размеры структур, тем менее точной она является. В настоящей работе рассматривается возможность применения слоистых диэлектрических и металлодиэлектрических резонансных структур, допускающих возбуждение интерференционных мод, для исследования поглощения в материалах. Традиционно, взаимосвязь между спектральными значениями и параметрами слоистых диэлектрических и металлодиэлектрических структур определяется численной аппроксимацией зарегистрированных спектров. Для аналитического описания и интерпретации резонансных эффектов в спектрах резонансных структур используются подходы теории связанных мод, которые, однако, не раскрывают условия возбуждения собственных мод. Для описания влияния оптических и геометрических параметров интерференционных структур, допускающих возбуждение волноводных, Фабри-Перо, симметричных и антисимметричных плазмонных нормальных мод, на характеристики резонансного профиля в настоящей работе разработан математический метод моделирования оптических характеристик поглощающих слоев интерференционных резонаторов на основе изменения условий возбуждения их собственных мод. В рамках разработанного метода дисперсионные соотношения, описывающие поведение постоянных распространения интерференционных мод, используются для получения аналитических выражений, связывающих отдельные параметры слоистых резонансных систем. Разработанный метод позволяет осуществлять оценку материальных характеристик исследуемых сред без необходимости итеративной аппроксимации спектров.
Бесплатно
Статья научная
Во многих сложных технических задачах количество доступных для анализа параметров исчисляется тысячами. При этом в зависимости от специфики решаемой задачи обычно количество ключевых параметров, то есть параметров, оказывающих существенное влияние на процессы, связанные с целевой задачей, не превышает нескольких десятков. Однако определение подмножества этих параметров из доступных само по себе является сложной задачей, которое в большинстве случаев решается с привлечением экспертов соответствующей предметной области. В данной работе предлагается метод параметрической оптимизации, который может использоваться для широких нейронных сетей, то есть нейронных сетей с большим количеством нейронов в слое. Указанный метод использует эволюционные методы оптимизации, а именно генетические алгоритмы, совместно с методом инвариантного представления данных в широких нейронных сетях, использующим алгебру гиперразмерных двоичных векторов, благодаря которому при изменении количества параметров нейросетевой модели в ходе оптимизации не меняется ее топология. При этом, чем больше параметров включается в модель, тем менее точно передаются их значения, таким образом, в ходе оптимизации достигается баланс между составом, количеством и точностью параметров целевой задачи. Предлагаемый метод не требует участия эксперта, соответствующей предметной области, позволяя полностью автоматизировать процесс параметрической оптимизации.
Бесплатно
Статья научная
В статье рассматривается новый метод, позволяющий определять частоту периодических сигналов за долю периода сигнала. Метод обеспечивает исключение частотной погрешности и погрешности по модулю фазосдвигающих блоков, используемых для формирования дополнительных сигналов. Реализация метода обеспечивает сокращение времени и увеличение точности измерения. Приводятся результаты анализа погрешности измерения частоты из-за отклонения реального сигнала от гармонической модели и угловой погрешности фазосдвигающих блоков. Полученные результаты позволяют выбирать оптимальный угол сдвига фазы фазосдвигающих блоков и соотношение между образцовым интервалом времени и периодом сигнала исходя из требований по точности и времени измерения.
Бесплатно
Статья научная
Рассматривается алгоритм улучшения, основанный на локальных аппроксимациях множества достижимости дискретной по времени задачи оптимального управления. Получены условия, обеспечивающее релаксационность алгоритма и связь с необходимыми условиями оптимальности.
Бесплатно
Метод преобразования космических снимков, полученных при сканирующих оптико-электронных съемках
Статья научная
Представляется метод преобразования космических снимков, полученных при распределенных сканирующих съемках, к единому масштабу для последующего формирования стереоизображений или для получения составного снимка из фрагментов.
Бесплатно
Метод синтеза системы зонального сетецентрического управления транспортными процессами
Статья научная
В статье описывается метод решения задачи синтеза системы, обеспечивающий мониторинг, сетецентрическое (зональное) управление, оптимизацию, анализ транспортных объектов, процессов и явлений.
Бесплатно
