Информатика, вычислительная техника и управление. Рубрика в журнале - Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don)
Статья научная
Введение. Конвективная сушка различных видов пищевого сырья является одним из наиболее распространенных методов заготовки продуктов для длительного хранения, только сухофруктов в мире консервируется свыше трех миллионов тонн в год, и объемы продолжают расти. Ввиду длительности и энергозатратности процесса, когда непосредственно на удаление влаги из продуктов тратиться почти 50 % энергии, оптимизация сушки представляет собой актуальную задачу. Целенаправленная и обоснованная оптимизация может быть осуществлена только при наличии общей математической модели оборудования и процессов сушки. Однако при моделировании процесса сушки, как правило, математическая модель оборудования не используется, что делает полученные результаты ограниченными для применения. Это является тем пробелом в знаниях, который призвано устранить предлагаемое авторами исследование. В статье представлены результаты разработки и идентификации параметров математической модели малогабаритного дегидратора, используемого в качестве экспериментальной установки для исследования процессов сушки пищевых продуктов. Целью исследования является разработка математической модели тепловой подсистемы дегидратора, учитывающей процессы тепло- и массопереноса. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проанализирована конструкция дегидратора и учтено влияние на нее системы управления, построена математическая модель дегидратора в виде системы обыкновенных дифференциальных уравнений (ОДУ), разработана имитационная модель дегидратора в пакете Matlab/Simulink, проведены экспериментальные исследования для получения данных о температуре и потребляемой мощности, идентифицированы параметры математической модели, в том числе величины воздушного потока и коэффициент циркуляции. Полученная модель верифицирована путем сравнения результатов имитационного моделирования и эксперимента. Материалы и методы. В качестве объекта моделирования был использован малогабаритный конвективный дегидратор, оснащенный оригинальной микропроцессорной системой управления. Данная система предназначена для обеспечения заданного температурного режима и сбора данных о параметрах процесса сушки: температуре, влажности, давлении воздуха и других. В системе было установлено три датчика: два датчика BME-280 и один датчик DS18B20. Телеметрические данные и управляющие команды передавались через бота на платформе Телеграм. Математическая модель дегидратора построена в классе нелинейных обыкновенных дифференциальных уравнений методом накопителей и потоков. Идентификация параметров математической модели осуществлялась как путем прямых измерений конструктивных элементов дегидратора, так и с использованием данных, полученных в ходе экспериментальных исследований. Для параметрической идентификации модели применен метод наименьших квадратов (МНК). Вычисления выполнены в программном пакете MATLAB. Результаты исследования. Разработана математическая модель тепловых процессов в дегидраторе в виде системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений третьего порядка. Модель учитывает как поток воздуха, выходящий из дегидратора, так и циркуляцию воздуха внутри него. Также определен суммарный коэффициент теплопотерь через стенки дегидратора и показана его зависимость от разности температур внутри и снаружи установки. Разработанная модель представлена как в аналитическом виде, так и в виде модели в системе MATLAB/Simulink. Экспериментальная верификация модели показала высокую точность: максимальное отклонение расчетных температур от измеренных составило менее 0,5 °C. Методом идентификации определены ключевые параметры системы: объемный расход воздуха через нагреватель (14,1 л/с) и коэффициент циркуляции воздуха (11,3), что указывает на более чем десятикратное увеличение воздушного потока, проходящего через рабочую камеру. Установлено, что воздух совершает более 10 циклов внутри камеры перед выходом, что существенно интенсифицирует тепломассообмен. Коэффициент теплопередачи через стенки линейно зависит от разности температур, что согласуется с теорией естественной конвекции. Модель обеспечивает физическую интерпретируемость параметров и требует минимального объема экспериментальных данных. Обсуждение. Разработанная математическая модель дегидратора на основе обыкновенных дифференциальных уравнений показала высокую точность в рабочем диапазоне температур. Предложенный в работе энергетический метод, базирующийся на анализе теплового баланса системы, позволил идентифицировать объемный расход воздуха и коэффициент циркуляции, которые невозможно измерить напрямую. В отличие от эмпирических и нейросетевых моделей, предложенный подход требует меньше экспериментальных данных и обеспечивает физическую интерпретируемость параметров. Модель создает основу для оптимизации процессов сушки пищевых продуктов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Просадочные лёссовые грунты, широко распространённые в России, Китае и Средней Азии, представляют собой значимую проблему в современном строительстве из-за своей склонности к просадке и низкой прочности при внешних нагрузках. Недостаточное внимание к их физико-механическим свойствам может привести к деформации сооружений, что создаёт угрозу безопасности и финансовые потери. Научные исследования в этой области являются фрагментарными и не дают достаточного понимания методов уплотнения и их влияния на долговечность конструкций. Кроме того, не существует разработанных оптимизированных математических моделей, позволяющих предсказать эффективность инженерно-технологических процессов уплотнения. Таким образом, целью данного исследования является разработка математической модели, определяющей мощность заряда взрывчатого вещества для уплотнения лёссов. Данная модель направлена на исключение экспериментального этапа, что улучшает качество уплотнения и способствует экономии финансовых ресурсов в строительстве. Материалы и методы. Математическое моделирование проводили путём включения решения обратной прикладной задачи оценки мощности заряда взрывчатого вещества при устранении просадочности лёссов. Начальнограничные задачи с полуэмпирическим дифференциальным уравнением в частных производных, описывающим уплотнение лёсса с выбросом и без выброса грунта на поверхность строительной площадки, рассматривались путём анализа конкретных моделей и математических подходов. На основе решения этих задач с использованием аналитического метода была создана математическая модель оценки мощности заряда взрывчатого вещества. Мощность определяли численно двумя методами: расчётами в программе, разработанной на языке Python, и путём моделирования вычислительного эксперимента с оценкой погрешности результата. При этом учитывали влияние физико-механических свойств грунтов, их изотропность и анизотропность. Результаты исследования. Построена математическая модель мощности заряда взрывчатого вещества при уплотнении просадочных лёссов с использованием глубинных гидровзрывов. Учтены плотность сухого грунта до и после уплотнения, коэффициент вертикальной диффузии, дисперсионные координатные изменения газа в уплотняемом грунте, а также глубина заложения заряда взрывчатого вещества. При средней плотности сухого уплотнённого грунта абсолютная погрешность расчётных значений мощности заряда составила 3,28 г для уплотнения лёссов без выброса и 21,13 г — для ситуации с выбросом грунта на поверхность. Показана адекватность предлагаемого математического решения экспериментальным данным натурного строительного объекта. Обсуждение. Предложенная модель позволяет проводить оценку мощности заряда взрывчатого вещества для изотропных и анизотропных геологических систем. Полученные аналитические представления демонстрируют степень и характер влияния физико-механических свойств грунтов на величину мощности заряда. Численное сравнение как с экспериментальными данными натурного уплотнения грунтов, так и с рекомендациями по уплотнению просадочных грунтов большой мощности гидровзрывным методом показало, что предложенная математическая модель согласуется с эмпирическими данными. Заключение. Основным результатом исследования является математическая модель мощности заряда взрывчатого вещества при устранении просадочности лёссов глубинными гидровзрывами. Построены аналитические представления мощности заряда с учётом физико-механических свойств грунтов. Получена численная оценка мощности, согласующаяся со значениями эмпирических данных. Практическая значимость исследования состоит в возможности применения математической модели в качестве расчётной методики и внедрения в исследовательские и проектные организации. Дальнейшие исследования будут направлены на построение решений средствами математического моделирования и других обратных задач в рамках инженерно-технологического процесса уплотнения грунтов.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Рассматривается новый вид устройств для сбора и аккумулирования энергии - воздушный надувной коллектор. Как правило, надувные коллекторы устанавливаются стационарно, что не подразумевает ориентацию коллектора вслед за движением Солнца. Ввиду низкой себестоимости рассматриваемых изделий, необходимо предложить и исследовать максимально эффективную конструкцию. Материалы и методы. Рассматривается коллектор, состоящий из последовательно соединенных замкнутых цилиндрических сегментов. Полости цилиндров заполнятся воздухом, что обеспечивает постоянство конструкции. Математическое моделирование определения температурного поля воздушного надувного коллектора выполнено с помощью метода конечных элементов. Результаты исследования. Распределение температурного поля, в зависимости от направления потока солнечной радиации, были подтверждены экспериментально. Математические модели признаны адекватными. Прирост температуры теплопоглощающего слоя по отношению к температуре окружающей среды составил от 7° до 26,2° в зависимости от части сегмента коллектора. Обсуждение и заключения. В ходе имитационных и экспериментальных исследований было установлено, что на эффективность коллектора, кроме инсоляции Солнца, оказывают воздействие комплекс факторов окружающей среды: влажность воздуха, сила ветра и др. При этом необходимо учитывать конструктивное исполнение устройства, а также эксплуатационные и теплофизические характеристики применяемых материалов. Детальное исследование степени воздействия внешних и внутренних факторов на температурное поле коллектора требует последующей разработки программного комплекса.
Бесплатно
Статья научная
Целью работы является построение и исследование адаптивного метода минимальных поправок (МАММП), предназначенного для численного моделирования процессов фильтрации двухфазной сжимаемой жидкости в пористых средах. Описанный подход позволяет преодолеть известные ограничения использования других методов решения сеточных уравнений, определяемые такими условиями, как: значительные перепады давления, действующего на нефтеводоносный пласт; сжимаемость среды при значительном содержании газа в нефтяной фазе.В качестве основы исследования выбран метод аппроксимации - явный для определения функции водонасыщенности и неявный для расчета функции давления.При постановке начально-краевой задачи и ее дискретизации рассмотрен процесс фильтрации сжимаемой двухфазной жидкости в пространственно-трехмерной области с боковой поверхностью, ограниченной снизу поверхностью подошвы пласта, а сверху - поверхностью его кровли. Построен двухслойный итерационный метод вариационного типа - модифицированный метод минимальных поправок, адаптированный для решения сеточных уравнений двухфазной сжимаемой жидкости с несамосопряженным оператором при самых общих предположениях относительно свойств оператора сеточной задачи. Показано, что МАММП обладает асимптотической скоростью сходимости, характерной для «классического» ПТМ, не использующего технику чебышевского ускорения и применяемого для задач с самосопряженным оператором. Численные эксперименты подтвердили высокую эффективность МАММП. Установлено, что для достижения заданной точности число итераций при МАММП сокращается в 3-20 раз по сравнению с методом Зейделя и методом верхней релаксации.
Бесплатно
Статья научная
Целью данной работы является создание и исследование метода выбора между ручным и автоматизированным тестированием программного продукта (ПП). Суть предлагаемого метода состоит в организации процедуры взаимодействия тестировщиков с программистами, которые завершили процесс написания программного кода и провели модульное тестирование. Предложен специальный вопросник из 20 пунктов, который заполняется программистом. Полученные таким образом, обработанные и проанализированные ответы позволяют судить о важных для работы тестировщика особенностях функционирования будущего программного продукта. В результате установлена общая связь свойств, определяющих полезность программного продукта, с методом тестирования. Если требуется проверка функциональных возможностей и (или) надежности, рекомендуется применять смешанное тестирование - ручное и автоматизированное. Если требуется проверка практичности и (или) сопровождаемости, рекомендуется применять ручное тестирование. Если требуется проверка эффективности и (или) мобильности, рекомендуется применять автоматизированное тестирование. Методика направлена на улучшение качества тестирования и основана на ГОСТ РИСО/МЭК 9126-93.
Бесплатно
Метод кластеризации в системе оценки результатов работы экспертов по проверке экзаменов в форме ЕГЭ
Статья научная
Цель данного исследования - рассмотрение возможности использования метода нечеткой кластеризации в автоматизированной системе оценивания эффективности работы экспертов по проверке результатов государственной итоговой аттестации в форме ЕГЭ. Представлены различные показатели результатов работы экспертов и их расчетные формулы. Параметры разбиты на следующие группы: базовые, статистические оценки базовых, нормированные и качественные. Применение метода нечеткой кластеризации с использованием взвешенной метрики Евклида показано на примере оценивания работы экспертов предметной комиссии по математике (профильный уровень). Эксперименты проводились с учетом и без учета шумов с последующими выводами о влиянии, которое оказывают шумы на результаты. Также по результатам экспериментов были представлены таблицы и графики с разбиением экспертов на кластеры.
Бесплатно
Метод трехмерного захвата движений человека на основе компьютерного зрения
Статья научная
Введение. Проведенный анализ существующих подходов к отслеживанию тела человека выявил наличие проблем при захвате движений в трехмерной системе координат. Отмечена перспективность систем захвата движений на основе компьютерного зрения. В существующих исследованиях по безмаркерным системам захвата движений рассматривается позиционирование только в двумерном пространстве. Поэтому целью исследования являлось повышение точности определения координат человеческого тела в трехмерных координатах за счет разработки метода захвата движения на основе компьютерного зрения и алгоритмов триангуляции.Материалы и методы. Представлен метод захвата движений, включающий калибровку нескольких камер и формализацию процедур обнаружения человека в кадре с использованием сверточной нейронной сети. На основе полученных от нейронной сети скелетных точек осуществляется трехмерная реконструкция модели тела человека с использованием различных алгоритмов триангуляции.Результаты исследования. Проведены экспериментальные исследования по сравнению четырех алгоритмов триангуляции: прямого линейного переноса, линейного метода наименьших квадратов, L2 триангуляции и полиномиального методов. Определен оптимальный алгоритм триангуляции (полиномиальный), обеспечивающий погрешность не более 2,5 пикселей или 1,67 сантиметров.Обсуждение и заключение. Выявлены недостатки существующих систем захвата движения. Предложенный метод направлен на повышение точности захвата движений в трехмерных координатах с использованием компьютерного зрения. Полученные результаты интегрированы в программное обеспечение позиционирования тела человека в трехмерных координатах для удаленного мониторинга, использования в виртуальных тренажерах и системах захвата движений.
Бесплатно
Метод формирования графа локальной сети на основе анализа множеств адресов
Статья научная
Введение. Статья посвящена вопросам автоматизированного построения схемы локальной вычислительной сети с использованием средств и методов анализа трафика на канальном уровне модели OSI. Проблема обусловлена двумя факторами. Это сложности ручного определения связей между оборудованием и отсутствие физического доступа к линиям связи уже функционирующей сети. Цель работы - сокращение времени, затрачиваемого на построение схемы локальной сети, за счет автоматизации процесса определения связей между оборудованием.Материалы и методы. Для решения поставленных задач предложен метод определения взаимного расположения устройств. Задействованы направленные в противоположные стороны сетевые адаптеры специализированного программно-аппаратного комплекса, подключаемого в разрыв линии связи в разных точках сети. Используемый метод базируется на вычислениях пересечений множеств адресов, полученных с этих адаптеров. Приведены структурные схемы построения такого программно-аппаратного комплекса и требования к нему. Описаны способы получения MAC-адресов из транзитных пакетов. Приводятся примеры библиотек программных компонентов для выполнения этой операции. Для хранения полученных данных предложена структура реляционной базы данных. Описаны формат и содержание полей ее таблицы.Результаты исследования. С использованием разработанных методов на типовом примере сети стандарта Ethernet показан способ определения взаимного расположения конечных устройств, заданных своими MACадресами, а также как минимум двух коммутаторов, находящихся между ними. Определены признаки, по котором можно судить о наличии коммутационного оборудования в том или ином сегменте. Предложен метод, позволяющий с использованием набора реляционных операций последовательно уточнять топологию сети до достижения требуемой точности.Обсуждение и заключения. Полученные результаты могут быть использованы при администрировании крупных локальных сетей с разветвленной структурой. Предложенный подход позволяет сократить время на построение схемы. Это возможно благодаря автоматизации процесса получения информации о работающих в сети устройствах и их взаимном расположении.
Бесплатно
Методика оценки уровня зрелости организации на основе нечеткого моделирования
Статья научная
Введение. В статье излагается разработанная авторами методика объективной оценки уровня зрелости организации в направлении достижения устойчивого успеха на основе самооценки. Методика основана на использовании экспертной информации и математического аппарата теории нечетких множеств. Дано обоснование выбранного подхода, позволяющего оперативно анализировать состояние организации с учетом полной экспертной информации. Предлагается использовать экспертные оценки уровней зрелости по каждому направлению деятельности в соответствии с ГОСТ Р ИСО 9004-2010. Приведено краткое описание содержания этапов фаззификации, композиции и дефаззификации, составляющих суть нечеткого моделирования процесса получения достоверной оценки. Материалы и методы. В результате анализа построена обобщенная модель предметной области «оценка уровня зрелости организации», разработаны модели входных и выходной лингвистических переменных согласно наименованиям основных критериев зрелости, представленных в ГОСТ Р ИСО 9004-2010, определены базовые терм-множества. Согласно оценкам четырех экспертов построены функции принадлежности всех лингвистических переменных, для чего использованы типовые функции трапециевидной формы. Приведена развернутая форма нечеткого логического вывода для рассматриваемой системы знаний. С учетом рассчитанных коэффициентов значимости основных критериев зрелости создана база знаний, содержащая 729 продукционных правил, на которой основан логический вывод оценки уровня зрелости организации. Результаты исследования. Для вычисления точного значения уровня зрелости используется метод центра тяжести, который реализуется в среде MatLab с помощью пакета прикладных программ Fuzzy Logic Toolbox. Построены поверхности отклика, отражающие взаимосвязи лингвистических переменных. Приведен модельный пример нечеткого логического вывода оценки уровня зрелости организации с использованием предложенной методики. Обсуждение и заключения. Представленная методика, использующая математический аппарат теории нечетких множеств, позволяет объективно оценить уровень зрелости организации с точки зрения достижения устойчивого успеха и предназначена для оперативного анализа состояния организации на основе выполненной экспертами самооценки
Бесплатно
Статья научная
Введение. Прогнозирование оттока клиентов приобретает особую актуальность в эпоху цифровой трансформации и обострения конкуренции. В таких секторах, как телекоммуникации и банковское дело, даже минимальное сокращение этого показателя способно заметно укрепить финансовые позиции. Многие компании применяют унифицированные подходы к удержанию клиентов, что приводит к нерациональному использованию ресурсов и утрате лояльных пользователей. Современные исследования фокусируются на двух ключевых направлениях. Первое из них посвящено совершенствованию точности прогнозирования посредством алгоритмов машинного обучения. Второе подчеркивает экономическую составляющую, включая пожизненную ценность клиента (CLV). Существующие подходы либо достигают максимальной точности за счет значительных вычислительных затрат, либо предлагают концепции, основанные на факторе ценности, но не имеющие практической технической реализации. Для преодоления этого разрыва в настоящей работе предлагается создать, испытать и представить комплексную систему контроля оттока клиентов с интеграцией жизненной ценности клиента (CVLV). Цель исследования заключается в разработке и верификации методологии контроля оттока с учетом жизненной ценности клиента (CVLV). Для ее достижения решаются следующие задачи: сегментация аудитории по динамическим метрикам CLV и вероятности ухода; оценка эффективности разнообразных конфигураций нейронных сетей; построение модели, которая выявляет наилучшие архитектуры глубокого обучения для целенаправленного удержания клиентов, гармонично сочетая аналитику данных с корпоративной стратегией. Материалы и методы. Исследование проводилось на двух наборах данных: IBM Telco Customer Churn (7 043 клиента, 21 признак, бинарный отток) и Santander Customer Transaction Prediction (200 000 записей, 200 числовых признаков, бинарный целевой признак). Данные обрабатывались с учётом дисбаланса классов и делились в пропорции 70–15–15 с 5‑кратной кросс‑проверкой. Сравнивались ANN (3–6 слоёв) и RNN/LSTM в CVLV‑фреймворке. При обучении использовались Adam, L2-регуляризация, dropout, ранняя остановка, обрезка градиентов, единые настройки батча и эпох. Эффективность оценивалась по точности, функции потерь и Парето‑фронту. Затем клиенты сегментировались по уровню пожизненной ценности (CLV) и риску оттока. Затем моделям назначались стратегии. Результаты исследования. Всесторонняя оценка искусственных (ANN) и рекуррентных (RNN) нейронных сетей показала, что двухслойная RNN обеспечивает незначительно более высокую точность (0,90), в то время как трёхслойная ANN демонстрирует наилучшую устойчивость с минимальными потерями (0,25) при сопоставимой прогностической эффективности. В рамках CVLV-фреймворка это определяет назначение моделей: RNN 2L используется для высокоценных клиентов с высоким риском оттока, где критически важна максимальная точность прогноза; ANN 3L — для стабильных высокоценных отношений; а базовая RNN — для клиентов с низкой ценностью. Обсуждение. Проведённое исследование продемонстрировало, что CVLV-фреймворк стратегически оптимизирует прогнозирование оттока клиентов за счёт согласования моделей глубокого обучения с ценностно-рисковыми профилями клиентов. Полученные данные подтверждают, что модель ANN 3L обеспечивает оптимальную устойчивость, а RNN 2L достигает максимальной точности при работе с временными закономерностями. Совместное их применение позволяет реализовывать более эффективные и целенаправленные мероприятия по удержанию клиентов в различных отраслях. Данный подход может быть внедрён в телекоммуникационном, банковском секторах, в сфере розничных продаж. Он устанавливает содержательную связь между техническими характеристиками модели и стратегическим принятием решений, позволяя организациям эффективно распределять усилия по удержанию, соотнеся возможности модели с ценностью клиентов и вероятностью их оттока. Результаты указывают на то, что стратегическое назначение моделей на основе CLV-рисковых профилей приводит к повышению эффективности мероприятий по удержанию без ущерба для надёжности прогнозов. Заключение. Основные результаты заключаются в том, что модель ANN 3L обеспечивает оптимальный баланс между точностью (0,875) и устойчивостью (потери: 0,25) в прогнозировании оттока, в то время как модель RNN 2L достигает максимальной точности (0,90) для сегментов с высоким риском. Практическая значимость исследования состоит в предложенном CVLV-фреймворке, который позволяет бизнесу стратегически соотносить выбор модели глубокого обучения с пожизненной ценностью клиента, повышая эффективность мероприятий по удержанию. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на интеграции механизмов обновления CLV в реальном времени и валидации фреймворка в других отраслях.
Бесплатно
Методы имитационного математического моделирования российского срочного рынка на современном этапе
Статья научная
Введение. Работа посвящена имитационному моделированию. Описаны основные методы имитационного математического моделирования на срочном рынке. Рассмотрена группа реалистичных негауссовских процессов Леви, которые обобщают классическую модель Блэка-Шоулса. Целью работы явилось исследование наиболее эффективных методов прогнозирования рынка, а также программная реализация метода имитационного математического моделирования российского срочного рынка, основанного на модели Леви. Данное исследование актуально в связи со спросом на приложения, позволяющие симулировать динамику финансовых активов и оценивать опционы в реалистичных моделях срочного рынка, допускающих скачки.Материалы и методы. Рассмотрены основные методы прогнозирования срочного рынка, способы определения уровня волатильности при известной цене опциона. Выделены наиболее эффективные виды процессов Леви для имитационного математического моделирования российского срочного рынка на современном этапе. Рассмотрены возможности языка Java для реализации математических методов...
Бесплатно
Методы применения матриц при создании моделей группового преследования
Статья научная
Введение. Очевидно, что в ближайшее время сохранят актуальность вопросы оснащения движущихся робототехнических комплексов элементами автономного управления. Это требует развития моделей группового преследования. Отметим, что оптимизация в задачах преследования сводится к построению оптимальных траекторий (кратчайшие траектории, траектории с дифференциальными ограничениями, показатели расхода топлива). При этом не рассматриваются аспекты автоматизированного распределения по целям при групповом преследовании. Для восполнения этого пробела выполнена представленная научная работа. Ее результатом должно стать построение модели автоматизированного распределения преследователей по целям в групповом преследовании.Материалы и методы. Для изучения группового преследования множества целей сформирована матрица. Управляющие параметры движения преследователей модифицированы по минимальной кривизне траектории. Детально рассмотрены методы погони и сближения. Показаны возможности модификации метода параллельного сближения. Матричное моделирование задействовали для построения схемы группового преследования множества целей. Перечисленные процессы проиллюстрированы функциями в заданных системах координат и анимацией. Как база функций построены блок-схемы фазовых координат преследователя на следующем шаге, времени и расстояния достижения преследователем цели. В ряде случаев расположение целей и преследователей определено как точки на окружности Аполлония. Матрица сформирована по выборкам, соответствующим распределению преследователей по целям.Результаты исследования. Рассмотрены девять вариантов погони, параллельного, пропорционального и трехточечного сближения на плоскости и в пространстве. Рассчитано максимальное значение времен достижений целей. Отмечены случаи, когда вектор скорости преследователя направлен произвольно и в точку на окружности Аполлония. Отмечено, что трехточечный метод сближения удобен, если цель движется по баллистической траектории. Для модификации метода параллельного сближения на плоскости строится сеть параллельных линий. При этом учтены длина дуги линии (которая может быть произвольной формы) и массив опорных точек траектории цели. С данными элементами составлено и решено уравнение. На массиве выборок с соответственными значениями времен найдено минимальное время, то есть определено оптимальное время одновременного группового достижения множества целей. Для унифицированного обращения к библиотеке выражен управляющий вектор через однопараметрическое семейство параллельных плоскостей. Сформирована библиотека расчетов управляющих векторов. Показан пример применения матричного моделирования к групповому преследованию. Представлена схема группового преследования множества целей. Для двух целей и трех преследователей рассмотрены шесть выборок, соответствующих распределению преследователей по целям. Данные представлены в виде матрицы. По итогам научных изысканий создана и зарегистрирована программа для ЭВМ «Модель параллельного сближения на плоскости группы преследователей с одновременным достижением цели».Обсуждение и заключение. Исследованы методы использования матриц при моделировании группового преследования. Показана возможность модификации метода параллельного сближения. Матричное моделирование группового преследования позволяет выстроить его схему для множества целей. Матрица распределения преследователей по целям будет генерироваться в каждый момент времени. Методы формирования матриц распределения преследователей и целей представляют интерес при проектировании систем виртуальной реальности, для задач с моделированием процесса группового преследования, убегания, уклонения. Метод динамического программирования при формировании матрицы распределения преследователей по целям открывает возможность автоматизации распределения с оптимизацией по заданным параметрам.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Работа посвящена численному решению задач динамики фитопланктона в прибрежных системах на примере Азовского моря. При этом учитывается трансформация форм фосфора, азота и кремния, а также движение водной среды, распределение температур и соленостей по акватории моря. Речной сток, меняясь по объему и по химическому составу, существенно влияет на изменчивость гидрофизических и биогеохимических параметров процессов, происходящих в прибрежной системе. Этим обусловлена необходимость статистической обработки данных многолетних наблюдений за характеристиками речного стока.Материалы и методы. Математическая модель биогеохимических циклов основана на системе нестационарных уравнений конвекции - диффузии - реакции параболического типа с нелинейными функциями источников и младшими производными, к которой добавлены соответствующие начальные и граничные условия. В ходе статистического анализа рядов многолетних наблюдений за стоками рек найдены значения следующих показателей: коэффициенты асимметрии, эксцесса, дисперсия и стандартное отклонение, коэффициент вариации, коэффициент автокорреляции, отношение Неймана и критерий Андерсона.Результаты исследования. Статистический анализ рядов многолетних наблюдений за гидрохимическими показателями реки Дон свидетельствует о неоднородности натурных данных. Это связано со стохастичностью поступлений биогенных веществ и объема пресноводного стока в море в результате воздействия природных и антропогенных факторов. Натурные данные целесообразно соотносить с сезонными изменениями температуры водной среды. В работе представлены результаты вычислительного эксперимента по моделированию динамики фитопланктонных популяций в летний период, когда температуры благоприятны для их размножения и роста. Предложенная математическая модель учитывает пространственно-неоднородное распределение и трансформации форм фосфора, азота и кремния, а также изменения солености, температуры и движения водной среды.Обсуждение и заключения. Рассмотрена многовидовая математическая модель динамики фитопланктонных популяций с учетом трансформации форм фосфора, азота и кремния в прибрежных системах. Проведен анализ данных натурных наблюдений, для чего рассчитаны его основные статистические параметры. В итоге сделан вывод о существенной изменчивости данных многолетних наблюдений. Это обусловлено двумя причинами. Первая: случайный характер поступления биогенных веществ и объемов стока рек в результате воздействия антропогенных факторов. Вторая: чередование в последние 12-15 лет относительно многоводных и маловодных периодов по пресному стоку. Гидрологический режим меняется главным образом за счет сокращения среднегодового пресноводного стока Дона и частично Кубани. Эта тенденция, по-видимому, будет усиливаться из-за климатических изменений, а также при дальнейшем регулировании стока Дона после ввода Багаевского гидроузла. Численные эксперименты на основе натурных данных подтвердили предсказательную ценность разработанных моделей и программ. С их помощью можно прогнозировать изменение состава и численности (концентраций) в Азовском море основных планктонных популяций, которые определяют, с одной стороны, кормовую базу, а с другой - состояние водной среды в условиях продолжающегося осолонения моря.
Бесплатно
Моделирование вертикальных движений морской воды в стратифицированных водоемах
Статья научная
Введение. В области вычислительной математики известно множество способов аппроксимации модели механики жидкости. Учеными выработаны методы и оценки критериев качества аппроксимации, таких как устойчивость и сходимость. Комбинация подходов построения экономичных разностных схем, таких как расщепление по физическим процессам, регуляризация по Б. Н. Четверушкину, линейная комбинация разностной схемы «кабаре» и «крест» в совокупности ранее не реализовывалась и не оценивалась. Перед авторами стояла задача аппроксимировать каждую часть расщеплённой по физическим процессам модели гидродинамики наиболее адекватной схемой и далее исследовать корректность данного подхода.Материалы и методы. Математическая модель гидрофизических процессов замыкается эмпирическим уравнением состояния соленой воды. Выбираются значимые свойства, строится математическая модель. Разностные операторы аппроксимируют дифференциальные операторы. Строится алгоритм послойного моделирования переходных процессов. Алгоритм реализован в виде программы, которая, в основном, содержит поэлементные (массивно параллельные) операции.Результаты исследования. Получены математические модели гидродинамических процессов в водоемах, учитывающие три уравнения движения при наличии градиента плотности водной среды при отказе от гидростатического приближения. Апробирован новый способ вычисления поля давления с применением регуляризаторов по Б. Н. Четверушкину в уравнении неразрывности. Разработан программный модуль численного моделирования гидрофизических процессов движения воды с различной солёностью и плотностью. Это открытое программное обеспечение, допускающее не только переопределение эмпирических зависимостей (как алгебраических функций), но и подключение внешних моделирующих модулей для отображения зависимостей алгоритмически.Обсуждение и заключение. Разработанная модель гидрофизики, учитывающая свойства солёной воды и динамическую связь механического движения воды с солёностью, может применяться для изучения формирования неравновесного распределения параметров и идентификации наиболее стабильных параметров водной среды. Модель объясняет нисходящее движение кислорода, что позволит в будущем оценивать величины параметров водной среды, которые сложно измерить непосредственно. Она может быть использована в процедуре параметрической идентификации трудноизмеряемых параметров водной среды.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Статья посвящена теоретическому изучению переноса ионов бинарной соли с учетом реакции диссоциации (рекомбинации) воды. Цели исследования: построение математической модели; разработка алгоритма численного решения краевой задачи, соответствующей математической модели; развитие теории подобия, включая переход к безразмерному виду с использованием характерных величин; определение физического смысла тривиальных критериев подобия; нахождение нетривиальных критериев подобия; построение и анализ вольтамперной характеристики (ВАХ).Материалы и методы. При теоретическом исследовании и численном анализе переноса ионов бинарной соли учитывается реакция диссоциации (рекомбинации) воды. При этом используются уравнение теплопроводности и математическая модель электродиффузии одновременно четырех видов ионов (двух ионов соли, а также ионов ????+ и ????????-) в диффузионном слое электромембранных систем с идеально селективной мембраной. Для дифференциальных уравнений первого порядка ставится сингулярно возмущенная краевая задача...
Бесплатно
Статья научная
Введение. Исследована математическая модель системы мониторинга производственной безопасности в области машиностроения. Цель работы - создание математической модели на основе экспертных оценок параметров безопасности рабочего места с расчетно-экспериментальным обоснованием ее применимости для экспертной системы мониторинга безопасности «СТРАЖ».Материалы и методы. Предложена классификация экспертных систем для предприятий машиностроения. Рассмотрены этапы создания экспертных систем. Представлена методика оценки согласованности экспертов как основа для моделей экспертных систем в области безопасности машиностроительных производств.Результаты исследования. Выявлены основные параметры безопасности рабочего места. Создана матрица экспертной оценки параметров, основанная на мнении ведущих экспертов в области машиностроения. Приведены результаты моделирования экспертной системы «СТРАЖ» с расчетно-экспериментальным подтверждением применимости математической модели. Обоснованы преимущества внедрения экспертных систем для повышения уровня безопасности персонала.Обсуждение и заключения. Полученные результаты имеют высокую степень согласованности экспертов и могут быть использованы в разработке экспертных систем мониторинга безопасности для предприятий машиностроения.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Описана структура транспортной логистической системы перевозки контейнеров-трансформеров в урбанизированной среде для оптимизации производственных издержек с элементами интеллектуальной городской мобильности, а также имитационное программное обеспечение для моделирования и проверки разрабатываемой системы. Представлены основные принципы взаимодействия между элементами системы с помощью моделирования поведения контейнеров и перевозчиков. Создано программное обеспечение, обеспечивающее моделирование работы логистической инфраструктуры для контейнеров-трансформеров с использованием технологии беспроводной связи и «Интернета вещей», а также реализованы сервисы для быстрого обмена информацией между участниками (объектами и субъектами) этого процесса.Материалы и методы. Раскрывается общий способ организации сети с веб-сервером и мобильным клиентом, а также основной принцип взаимодействия между сервером и клиентом. Определены основы разработки имитатора, предусмотренного для моделирования всех возможных состояний контейнера-трансформера. Результаты исследования. Создана общая архитектура системы и имитатор для отладки и тестирования программного обеспечения при организации единого пространства по контролю и оптимизации грузоперевозок с использованием «умных» контейнеров-трансформеров при оказании транспортных услуг населению и юридическим лицам в урбанизированной среде. Обсуждения и заключения. Разработанный имитатор в составе информационной системы позволяет ускорить создание, отладку и тестирование программного обеспечения для решения логистических проблем в сфере транспорта.
Бесплатно
Моделирование процесса стабилизации частоты генераторов в инфокоммуникационных системах
Статья научная
Целью исследования является моделирование процесса стабилизации частоты генераторов на примере составной части системы сотовой связи «центр коммутации - базовые станции». Задача данной работы - установление зависимостей между параметрами генераторов (число, рабочие частоты и относительные нестабильности) и стабильностью частоты генераторов. В основе исследования - применение численно-аналитической модели сигналов генераторов, формирование функции правдоподобия, из условия максимума которой определяются несмещенные, асимптотически эффективные и состоятельные оценки частоты каждого генератора. Результаты изысканий позволяют утверждать следующее. При совместной обработке измеренных значений фаз сигналов одновременно и независимо функционирующих генераторов можно получать несмещенные, асимптотически эффективные и состоятельные оценки частоты генераторов. Таким образом обеспечивается повышение стабильности частоты. Использование численного моделирования позволило оценить выигрыш в снижении относительной нестабильности частоты сигналов в зависимости от таких параметров инфокоммуникационной системы, как число генераторов и их относительные нестабильности.
Бесплатно
Статья научная
Введение. Обратные задачи представляют собой специфический тип задач, где изучаются последствия явлений с целью определения их причин. Они широко используются в научных исследованиях, особенно тех, что имеют дело с большими объемами экспериментальных данных. В представленном исследовании рассмотрены обратные задачи в машиностроении и диагностике конструкций. Эти области требуют точных методов для выявления в различных материалах внутренних дефектов, которые могут иметь критические значения для обеспечения безопасности и эффективности использования технических конструкций. Несмотря на множество имеющихся методов дефектоскопии существует потребность в инновационных разработках, способных обеспечить ее более высокую точность и эффективность. В данном исследовании объединены различные научные методы и технологии, оно открывает новые перспективы в неразрушающем контроле для обнаружения внутренних дефектов в различных материалах и структурах. Его цель - развитие и внедрение методов неразрушающего контроля на основе нейросетевого аппарата для повышения точности идентификации дефектов, а также разработка нейросетевой модели и оценка ее эффективности для усовершенствования процесса ультразвуковой визуализации внутренних дефектов в твердых материалах. В связи с этим задача, которую предстоит решить для достижения поставленной цели, заключается в создании надежного инструмента для точной визуализации размеров, форм, местоположения и ориентации внутренних дефектов в различных материалах.Материалы и методы. Применяется методика определения геометрических параметров дефектов в материалах с использованием неразрушающего контроля. Также используется метод, объединяющий моделирование распространения ультразвуковых волн в акустической среде и технологии искусственных нейронных сетей. Он выявляет нелинейные связи между геометрическими характеристиками дефектов и амплитудно-частотными и амплитудно-временными данными, полученными при анализе сигналов. Искусственные нейронные сети представляют собой модель, которая может обучаться на примерах, что позволяет эффективно решать задачи, которые сложно выразить в традиционных формах. В исследовании используется метод конечных разностей во временной области. Он применяется для идентификации и визуализации внутренних дефектов в материалах с использованием ультразвукового неразрушающего контроля и сверточных генеративных нейронных сетей.Результаты исследования. Разработана сверточная нейронная сеть для визуализации внутренних дефектов с использованием техник ультразвукового неразрушающего контроля. Эта нейронная сеть успешно определяет размер дефектов, их местоположение, форму и ориентацию с высокой точностью и надежностью.Обсуждение и заключение. Авторы подчеркивают ключевое влияние размера дефекта на точность ультразвуковой визуализации в различных сценариях. Проведенная валидация модели для трех различных случаев дефектов с разными механическими параметрами показала, что для успешной визуализации дефектов длина волны ультразвукового импульса должна быть в десятки раз меньше размера дефекта. При анализе влияния размера дефектов на точность работы нейронной сети выявлено, что ошибка визуализации увеличивается для дефектов меньшего размера.Установлено также, что относительная скорость звука в материалах оказывает большее влияние на точность метода, чем относительная плотность материала. На основании полученных авторами результатов можно утверждать, что разработанные методики и технические решения имеют большое значение для будущих исследований в области дефектоскопии, обладают весомым потенциалом для научных и практических сфер применения.
Бесплатно
Модель глубокой сверточной нейронной сети в задаче сегментации трещин на изображениях асфальта
Статья научная
Введение. Своевременное устранение дефектов (трещин, сколов и пр.) на участках повышенной нагрузки дорожного полотна позволяет снизить риск возникновения аварийных ситуаций. В настоящее время для контроля состояния дорожного покрытия применяются различные методы фото- и видеонаблюдения. Оценка и анализ полученных данных в ручном режиме могут занять недопустимо много времени. Таким образом, необходимо совершенствовать процедуры осмотра и оценки состояния объектов контроля с помощью технического зрения.Материалы и методы. Авторами предложена модель глубокой сверточной нейронной сети для идентификации дефектов на изображениях дорожного покрытия. Модель реализована как оптимизированный вариант наиболее популярных на данный момент полностью сверточных нейронных сетей (FCNN). Показано построение обучающей выборки и двухэтапный процесс обучения сети с учетом специфики решаемой задачи. Для программной реализации предложенной архитектуры использовались фреймворки Keras и TensorFlow.Результаты исследования...
Бесплатно
