Работая с нашим сайтом, вы даете свое согласие на использование файлов cookie. Это необходимо для нормального функционирования сайта, показа целевой рекламы и анализа трафика. Статистика использования сайта отправляется в «Яндекс» и «Google»

Понятно

Научный журнал Моделирование, оптимизация и информационные технологииThe scientific journal Modeling, Optimization and Information Technology

cетевое издание
issn 2310-6018

отправить
статью

метаданные статей за последние 2 года

Реализация метода динамического контентного согласования обучающего и игрового сценариев в адаптивной обучающей игре

2022. T.10. № 1. id 1107

Хайров А.В. Шабалина О.А. Катаев А.В.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.002

В работе описан метод адаптации процесса обучения в адаптивных ролевых обучающих играх, основанный на динамическом контентном согласовании нелинейных обучающего и игрового сценариев. Обучающий сценарий и сопоставленный ему игровой сценарий представляются структурно-упорядоченными пространствами. Механизм динамического контентного согласования нелинейных обучающего и игрового сценариев, реализованный в игре, основан на активации предопределенных игровых событий в зависимости от выбранного игроком развития игрового сюжета. Каждому видимому и невидимому объекту игрового мира назначаются триггеры в соответствии с построенным пространством знаний. При попадании персонажа в игровую ситуацию, привязанную к области действия триггера, активизируется и вызывается система диалоговых окон для выполнения задания, составленного этой игровой ситуацией. Игрок динамически строит свой игровой сценарий в зависимости от выбора стратегии освоения пространства знаний и выполнения соответствующих игровых заданий, при этом реализованный в игре метод динамического контентного согласования обеспечивает освоение всего пространства при любой стратегии, формируемой игроком. Описан способ реализации метода в обучающей ролевой игре Камми для изучения объектно-ориентированного программирования и языка С++.

Ключевые слова: обучающая игра, адаптивная обучающая игра, обучающий курс, модель адаптации, метод адаптации, нелинейный сценарий, пространство знаний

Математическое моделирование процесса получения водорода из продуктов парового риформинга природного газа

2022. T.10. № 1. id 1103

Альруйшид М.Х. Скворцов С.А. Ишин А.А. Дмитриевский Б.С. Терехова А.А.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.024

В настоящее время проблемы декарбонизации экономики и перехода на возобновляемые источники энергии становятся все более актуальными. К числу декарбонизированных газов, применение которых считается наиболее перспективным, относится, прежде всего, водород, который рассматривается не только как энергоноситель, но и как средство хранения избыточной энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками. Наиболее проработанной сегодня технологией получения водорода считается паровой риформинг метана, на выходе которого получают газовый поток с высоким содержанием водорода. Для извлечения водорода из продукционного газа парового риформинга широко применяются адсорбционные газоразделительные системы. Большую роль при проектировании адсорбционных газоразделительных установок играет математическое моделирование. С помощью математической модели рассматриваемого процесса может быть проведена оптимизация и синтез систем управления. В работе предложена математическая модель технологического процесса извлечения водорода методом безнагревной газовой адсорбции с помощью 6-адсорберной газоразделительной установки. Для численного решения уравнений математической модели использовался метод прямых, позволяющий перейти от уравнений в частных производных к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. Интегрирование полученной системы уравнений проводилось с помощью метода Рунге-Кутты четвертого порядка с автоматическим выбором шага. Представлены результаты численных имитационных расчетов динамических режимов работы установки. Сделан вывод о возможности использования предложенной математической модели адсорбционного процесса газового разделения для решения задач численных имитационных исследований, оптимизации и синтеза систем управления.

Ключевые слова: адсорбент, адсорбер, адсорбция, активный уголь, регенерация, цеолит

Оценка эффективности пространственной интерполяции при обработке совмещенных разнодиапазонных изображений

2022. T.10. № 1. id 1094

Ветров А.Н. Потлов А.Ю.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.014

В статье показаны методика и результаты лабораторных испытаний по определению показателей эффективности работы операторов с совмещенными разнодиапазонными изображениями, а именно видео и тепловыми изображениями, полученными от одного объекта в одинаковом масштабе и с одинаковыми параметрами развертки. Изображения были представлены в двух вариантах. В одном варианте проводились испытания по обнаружению заданных объектов на совмещенном изображении от видео и тепловизионной камер. Во втором варианте та же процедура обнаружения проводилась на интерполированных изображениях, когда каждый пиксел результирующего изображения содержал информацию от обоих датчиков. Актуальность проделанной работы заключается в практическом получении вероятностных характеристик обнаружения заданных объектов по просто совмещенным изображениям и изображениям, подвергнутым пространственной интерполяции, что подтверждает теоретическое повышение информативности интерполированного изображения, но в практических значениях. Испытания проводились с привлечением большого количества операторов, каждый из которых работал с изображениями только один раз. В результате проведенных испытаний были получены данные по времени обнаружения объекта каждым оператором и посчитаны вероятностные характеристики обнаружения. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с целью определения эффективности работы с интерполированными и не интерполированными изображениями. Доказана достаточность проведенных опытов.

Ключевые слова: лабораторные испытания, совмещенные изображения, интерполированные изображения, время обнаружения, вероятностные характеристики обнаружения, практическое повышение информативности

Нейросетевое устранение шума в полигональных сетках

2022. T.10. № 1. id 1093

Ротова О.М. Пивоварова Н.В.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.013

Одной из актуальных проблем при создании 3D-моделей с помощью систем трехмерного сканирования является автоматическая обработка для устранения шума, полученного из-за использования сканирующих устройств недостаточной точности. Целью исследования является разработка полностью автоматического подхода для решения задачи устранения в полигональных сетках, полученных после трехмерного сканирования. Ведущим методом к решению данной проблемы является использование нейронных сетей, позволяющих произвести все процессы по обработке полигональных сеток автоматически. В статье представлены обзор и сравнительный анализ существующих методов устранения шума в полигональных сетках. Сформулирована математическая постановка задачи устранения шума. Приведено описание используемых алгоритмов для подготовки данных для обучения нейронной сети. Использованы метод фильтрации полигональных сеток с помощью билатерального фильтра, метод главных компонент для понижения размерности данных, алгоритм кластеризации k-средних, алгоритм обновления позиций вершин по обновленным нормалям граней. Описываются детали реализации полносвязной нейронной сети прямого распространения. Представляются результаты исследования. Проводится анализ полученных результатов с помощью метрик качества расстояния Хаусдорфа и среднего значения угла между нормалями полигональных сеток с шумом и без шума.

Ключевые слова: нейронные сети, наука о данных, полигональные сетки, устранение шума, трехмерное сканирование, билатеральный фильтр

Математико-статистическая модель прогнозирования количества пожаров для использования в системе МЧС России

2022. T.10. № 2. id 1091

Кистанова Л.А. Репин С.В. Болдыревский П.Б. Лахвицкий Г.Н.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.37.2.002

Проблема составления и анализа прогнозов количества пожаров находится в центре внимания управления подразделениями надзорной деятельности МЧС России, так как связана с безопасностью жизнедеятельности человека и, соответственно, с задачами решения этой проблемы, а значит с работой планирования и оптимизации кадрового состава подразделений. При этом из общего числа контрольных мероприятий, проводимых органами пожарного надзора около 30 % приходится на плановые проверки. В статье показана связь процесса прогнозирования динамики пожаров с плановыми проверками и определена величина лага или запаздывания проведения плановых проверок по отношению к количеству пожаров. Математико-статистическая модель выполнена на примере статистических данных по количеству пожаров в Нижегородской области и Российской Федерации с 2010 по 2020 годы. Для постановки и решения данной задачи использовался математический аппарат теории временных рядов, в частности, метод с распределенными лагами – метод Алмон. Результаты исследований позволяют сделать заключение о том, что математические модели с распределенными лагами, выполненные по методу Алмон, могут быть использованы для прогнозирования количества пожаров в системе МЧС России, а также для составления графиков плановых проверок государственных противопожарных служб МЧС России и выработки предложений по оптимизации кадрового состава подразделений МЧС.

Ключевые слова: МЧС России, количество пожаров, плановые проверки, математико-статистическая модель прогнозирования, временные ряды, модель с распределенными лагами, метод Алмон

Информационная система для дистанционного изучения студентами эколого-биологических особенностей древесных растений и механической устойчивости основных видов деревьев, используемых в озеленении города Донецка

2022. T.10. № 1. id 1077

Корниенко В.О. Калаев В.Н. Преображенский А.П. Львович И.Я. Фирсов А.В.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.012

Разработанная информационная обучающая система содержит наглядный, обобщенный, структурированный материал по механической устойчивости, аварийности и эколого-биологическим особенностям основных видов древесных растений, используемых в озеленении города Донецка: систематическое положение, биология и экология, биогеография, представленность в условиях города Донецка, механическая устойчивость и аварийность, форма кроны, структура кроны, ветроустойчивость, устойчивость к антропогенным факторам, критический возраст в условиях города Донецка, наличие спила / керна в ксилотеке, рекомендации для озеленителей, концепции озеленения, иллюстрации. Информационная система носит обучающий характер, позволяет исследователю достаточно быстро и наглядно ознакомиться с эколого-биологическими особенностями роста и развития древесных растений в условиях степной зоны, на примере промышленного города Донецка, а также с методикой проведения мониторинговых исследований по оценке механической устойчивости древесных растений. Научиться анализировать зависимости параметров механической устойчивости для 18 видов древесных растений, произрастающих в условиях города Донецка. Находить и правильно определять положительные и отрицательные стороны применения различных видов древесных растений с целью озеленения в условиях промышленного города. По окончании обучения, по каждому разделу имеется возможность оценить полученные знания и навыки с помощью интерактивного тестирования. Описываемая информационная система обобщает результаты российских и зарубежных исследований эколого-биологических характеристик представленных видов и дополняет их сведениями об особенностях роста, физико-механических свойств древесины, механической устойчивости к динамическим (ветровым) и статическим (оледенение, налипание снега и т. д.) нагрузкам в условиях крупного промышленного города. Информационная система направлена на качественную подготовку будущих специалистов в области биологии и экологии, способствует внедрению полученных результатов в образовательный процесс (в качестве методического пособия для студентов и аспирантов биологических вузов), а также может использоваться при проведении мониторинговых исследований состояния окружающей среды и оценке аварийности древесных растений.

Ключевые слова: информационная система, алгоритм, дистанционное обучение, механическая устойчивость, экология древесных растений, устойчивость деревьев, концепция озеленения, подбор видов

Исследование процессов в установке для модификации биологических клеток магнитным полем при использовании источника переменного тока с высоким выходным сопротивлением

2022. T.10. № 2. id 1074

Павлов В.Н. Легенький Ю.А. Корниенко В.О. Калаев В.Н. Преображенский А.П. Львович И.Я.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.37.2.004

В статье на основе предложенных методов моделирования выявлены погрешности, возникающие при использовании наиболее распространенных источников тока с низким выходным сопротивлением (усилителей напряжения), питающих катушки установок для модификации биологических объектов магнитным полем. Для иллюстрации работоспособности рассматриваемых моделей приводятся осциллограммы изменения от времени индукции магнитного поля в катушке вышеуказанной установки, при питании ее от усилителя напряжения, имеющего низкое выходное сопротивление. В качестве альтернативы предлагается использование разработанного и собранного специализированного источника тока с высоким выходным сопротивлением, управляемого напряжением (ИТУН), предназначенного для работы с индуктивной нагрузкой. Магнитное поле, создаваемое катушкой установки, однозначно соответствует току, текущему через нее от вышеуказанного источника тока. В статье приводится описание макета такого источника тока, а также быстродействующей системы ограничения входного сигнала, позволяющей защитить силовые элементы схемы от перегрузок, возникающих при работе на индуктивную нагрузку. В качестве иллюстрации эффективности этого метода создания магнитного поля приводятся осциллограммы изменения от времени индукции магнитного поля, создаваемого в катушке вышеуказанной установки, при питании ее от макета источника тока. Для реализации макета магнитной установки и контроля состояния измеряемого магнитного поля был дополнительно разработан и собран быстродействующий магнитометр, позволяющий считывать данные в режиме реального времени.

Ключевые слова: магнитная установка, ИТУН, магнитометр, магнитное поле, модификация биологических объектов

Обработка разнодиапазонных изображений на базе матричных приборов с зарядовой связью

2022. T.10. № 1. id 1072

Ветров А.Н. Потлов А.Ю. Фролов С.В. Судаков Д.Е.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.011

В статье рассматривается и обосновывается принцип совмещения и обработки разнодиапазонных изображений на базе матричных приборов с зарядовой связью. Разработанный принцип предлагается как альтернатива программной реализации задачи совмещения и обработки разнодиапазонных изображений. Проведен анализ существующих методов совмещения разнодиапазонных изображений и обоснована недостаточность этих методов в плане повышения информативности результирующего изображения. Рассмотрен метод совмещения и обработки изображений с целью повышения информативности, реализуемый цифровыми методами. Обоснована возможность и перспективность реализации указанной задачи на базе дискретно-аналоговых систем, а именно базе матричных приборов с зарядовой связью. Предложен принцип двухэтапного воздействия на зарядовые пакеты, формирующие пиксели изображений в матричных приборах с зарядовой связью с целью их деления в заданных пропорциях, указанных в цифровом методе, и внедрения нужных частей деления в соседние запоминающие ячейки. Показана простота реализации процедуры деления и перемещения частей зарядовых пакетов посредством перемены напряжений на фазных шинах матричного прибора с зарядовой связью. Аналитически определена передаточная характеристика матричного прибора с зарядовой связью в предложенном режиме. Определен коэффициент прямоугольности передаточной характеристики.

Ключевые слова: матричный прибор с зарядовой связью, изображения, обработка, зарядовые пакеты, деление зарядовых пакетов

Моделирование и экспериментальная проверка процессов разделения биоклеток по величине магнитной восприимчивости

2022. T.10. № 1. id 1067

Павлов В.Н. Калаев В.Н. Корниенко В.О. Легенький Ю.А. Преображенский А.П. Львович И.Я.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.010

В статье даны предложения по моделированию процессов сепарирования клеток по величине магнитной восприимчивости. На основе предложенной модели создана рабочая установка сепаратора, дано ее описание. Для повышения эффективности работы приведенной установки сепаратора, по сравнению с существующими аналогами, внесены конструкторские предложения. Экспериментально установлено, что решетка, состоящая из стержней магнитомягкой стали, представляющая собой пространственно-периодическую полиградиентную структуру, может выделять клетки различной магнитной восприимчивости, при изменении величины внешнего магнитного поля, приложенного к этой структуре и неизменной скорости потока рабочей среды, прокачиваемого через нее. Дополнительно разработана методика выделения клеток с разной магнитной восприимчивостью на рабочей установке. Полученный метод позволяет получать «спектры» магнитной восприимчивости клеток образцов. После проведения калибровки установки, возможно прогнозирование ожидаемых результатов анализа по разделению клеток. Эффективность разработанного сепаратора растет с увеличением количества рядов (стержней) в периодической структуре. От времени прокачки зависит точность получаемых результатов. При слабых полях выдержку необходимо увеличивать. В зонах завихрения могут оставаться немагнитные или слабомагнитные биологические клетки. Это явление отрицательно сказывается на качестве полученных образцов, особенно при слабых магнитных полях.

Ключевые слова: сепаратор, магнитное поле, биоклетки, магнитная восприимчивость, высокоградиентная магнитная сепарация, методика разделения биоклеток

Моделирование соответствия строительных нормативных требований величинам сейсмического риска (часть 3)

2022. T.10. № 1. id 1065

Степанов Р.О.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.009

Статья завершает серию из трех авторских публикаций, связанных с моделированием сейсмических рисков в геологической среде при проектировании и строительстве объектов критической инфраструктуры. Подготовка серии направлена на достижение цели нахождения количественного соответствия сейсмических рисков, рассчитанных по математическим моделям, сейсмическим воздействиям, регламентированным в Своде правил (СП) 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». Для этого решены задачи: в первой статье обоснованы критерии выбора тестовых территорий, и в качестве тестового региона выбрана территория Армении и смежных государств; во второй – на примере тестовой территории с помощью специально разработанных математических моделей на региональном и локальном масштабных уровнях выполнена оценка вероятностного сейсмического риска; в третьей – разработаны математические модели и программное обеспечение определения соответствия расчетных сейсмических воздействий, регламентированных СП, величинам вероятностного сейсмического риска, полученным с помощью математического моделирования. В финальной статье сделан вывод о том, что перспективы продолжения исследований связаны с построением новой шкалы сейсмической интенсивности возможных землетрясений как функции от рассчитанного вероятностного сейсмического риска и глубины залегания очага возможного землетрясения, а также построением специальной нормировочной шкалы, позволяющей переводить вероятностный сейсмический риск, рассчитанный для любого региона, в интенсивность как меру сотрясения в баллах единой макросейсмической шкалы. Построение аналогичных шкал весьма актуально для ныне применяемых в СП расчетных кинематических параметров – пиковые ускорение, скорость смещения и собственно смещение грунта.

Ключевые слова: моделирование, сейсмический риск, геологическая среда, тестовая территория, строительные нормы и правила

Моделирование напряженно-деформированного состояния геологической среды при строительстве (часть 2)

2022. T.10. № 1. id 1062

Минаев В.А. Степанов Р.О.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.008

В статье рассмотрены описание и результаты реализации региональной и локальной математических моделей, созданных для решения проблемы оценки напряжений, деформаций и смещений в геологической среде. В региональной модели основными факторами, обусловливающими возникновение напряжений, смещений и деформаций геологической среды, являются неоднородности распределения аномального гравитационного поля в изостатической редукции и особенности рельефа поверхности Мохо. Для описания локальной детерминированной модели, с помощью которой оценивается напряженно-деформированное состояние трехмерного упругого пространства, использованы уравнения в перемещениях, решаемые методом Галеркина. Компьютерные версии моделей, обеспеченные цифровой информацией, открывают принципиально новые возможности для строительной сферы при решении задач оценки, анализа и прогнозирования сейсмических характеристик геологической среды. Математические модели и полученные с их применением расчеты являются надежной основой в сфере проектирования и строительства зданий и сооружений в сложных геологических условиях. Изыскательские работы и само строительство требуют существенных материально-технических и финансовых ресурсов. Делается вывод, что применение современных цифровых технологий оценки, анализа и прогнозирования сейсмических рисков снижает неоправданные финансовые потери, развивая интеллектуальную составляющую применяемых способов и методов проектных изысканий.

Ключевые слова: строительство, компьютерное моделирование, геологическая среда, напряженно-динамическое состояние, сейсмический риск

Моделирование энергетических переходов в напряженно-деформированной геологической среде для оценки сейсмических рисков (часть 1)

2022. T.10. № 1. id 1061

Минаев В.А. Фаддеев А.О. Степанов Р.О.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.007

В работе рассматривается модель, целью построения которой выступает решение проблемы количественного соотнесения сейсмических рисков, рассчитанных на основе моделирования, сейсмическим воздействиям, регламентированным в Своде правил «Строительство в сейсмических районах». Статья выступает первой частью в серии научных публикаций на указанную тему. В ней впервые производится обоснование критериев выбора тестовых территорий, изложена методика проверки адекватности моделей оценки сейсмического риска, описана вероятностная модель энергетических переходов в напряженно-деформируемой геологической среде, представлен подход к оценке параметров модели через показатели трансформации потенциальной энергии деформируемых пород геологической среды. Указывается содержание двух других частей серии. Критериям выбора тестового региона для практической апробации рассматриваемой модели соответствует территория Армении и смежных государств, характеризующихся высокой сейсмичностью, необходимой информационной базой и доказанной адекватностью применения моделей сейсмических рисков на всех глубинных уровнях нахождения эпицентров землетрясений. Детально рассмотрена методика проверки адекватности математической модели оценки сейсмического риска с помощью критерия Стьюдента. Показано, что при оценке параметров переходов между состояниями модели, описываемой уравнениями Колмогорова, необходимо учитывать как влияние региональных полей (аномальное гравитационное поле), так и локальных полей (современные тектонические движения). Таким образом, дано обоснование использования двух детерминированных моделей – региональной и локальной – для практической оценки напряжений и смещений в геологической среде.

Ключевые слова: модель, сейсмический риск, напряженно-деформируемая среда, тестовая территория, критерий, региональное и локальное геофизические поля

Проведение численных экспериментов для оценки характеристик обнаружения на математической модели радиолокационной станции

2022. T.10. № 1. id 968

Щукин А.А. Павлов А.Е.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.016

Задача обнаружения и наблюдения объектов была и остается актуальной по сегодняшний день. Одна из важнейших задач развития радиолокации – улучшение распознавания целей, которого можно добиться двумя способами. Во-первых, установкой более мощных радиолокационных систем, что весьма дорогостояще и трудновыполнимо в условиях ограниченного пространства, например, на самолетах. И во-вторых, качество принимаемого сигнала можно улучшить с помощью математических методов, что позволяет значительно сэкономить на установке дополнительного оборудования. Одной из основных проблем распознавания является тот факт, что по получаемому радарной системой сигналу бывает затруднительно определить количество и угловое расположение целей. Данную проблему можно решить с помощью вейвлет-преобразования. Этот метод позволяет преодолеть критерий Рэлея, то есть дает возможность получить угловое сверхразрешение (преодолеть классический дифракционный предел пространственного разрешения, сфокусированного линзой изображения, составляющего величину менее половины длины волны излучения). В статье на математической модели радиолокационной станции представлены результаты численных экспериментов по достижению сверхразрешения алгебраическими методами при значительном уровне шумов. Рассматривается пригодность использования различных типов вейвлетов, а именно, вейвлет Хаара, симметричный вейвлет Хаара, и Wave-вейвлет.

Ключевые слова: вейвлет-преобразование, компьютерное моделирование, сверхразрешение, поиск целей, имитационная модель

Анализ методов обеспечения безопасности систем машинного обучения

2022. T.10. № 1. id 935

Бобров Н.Д. Чекмарев М.А. Клюев С.Г.

DOI: 10.26102/2310-6018/2022.36.1.006

Применение систем машинного обучения является эффективным способом решения задач, оперирующих с большими объемами данных, что способствует их повсеместному внедрению в различные сферы деятельности. Вместе с тем, в настоящее время такие системы уязвимы перед злонамеренными манипуляциями, которые могут привести к нарушению целостности и конфиденциальности, что подтверждается внесением данных угроз Федеральной службой по техническому и экспертному контролю (ФСТЭК России) в Банк данных угроз безопасности информации в декабре 2020 года. В этих условиях обеспечение безопасного применения систем машинного обучения на всех этапах жизненного цикла является важной задачей. Этим обусловлена актуальность исследования. В статье рассмотрены существующие методы обеспечения безопасности, предлагаемые различными исследователями и описанные в научной литературе, их недостатки и перспективы дальнейшего применения. В связи с этим данная обзорная статья направлена на определение проблем исследования в области обеспечения безопасности систем машинного обучения с целью дальнейшей разработки технических и научных решений по данному вопросу. Материалы статьи представляют практическую ценность для специалистов по информационной безопасности и разработчиков систем машинного обучения.

Ключевые слова: машинное обучение, вредоносное воздействие, целостность, конфиденциальность, обеспечение безопасности