Научный архив: статьи

На протяжении последних десятилетий одной из ключевых проблем эксплуатации магистральных нефтепроводов является образование асфальтосмолопарафиновых отложений (АСПО) и их оседание на внутренней стенке трубопроводов при перекачке высокопарафинистой нефти. Данный процесс характерен как для новых месторождений, расположенных в Западной Сибири, так и для находящихся на III стадии разработки месторождений с высокой степенью разведанности и постепенно снижающимся объемом добываемой нефти и ее качеством. Процесс парафинизации труб является негативным фактором как для процессов транспорта нефти, так и последующей диагностики магистральных нефтепроводов, снижая надежность нефтетранспортной системы. На сегодняшний день на практике борьба с АСПО осуществляется по двум направлениям: удаление сформировавшихся отложений путем пропуска внутритрубных очистных устройств и предотвращение их образования путем применения соответствующих ингибиторов. По результатам исследований, проведенных рядом ученых, в том числе авторами статьи, была рассмотрена и подтверждена экономическая обоснованность идеи об эффективности использования формируемого слоя АСПО на внутренней стенке трубопровода как дополнительного внутреннего теплоизоляционного слоя. На данный момент в промышленной эксплуатации отсутствует устройство, конструктив которого позволяет сформировать равномерный слой АСПО.

Проблема распределения и эксплуатации парковочных мест является важной частью исследований в области интеллектуального транспорта. В последние годы в связи с резким увеличением числа автомобилей выразилась проблема ограниченности ресурсов парковочных мест. Эффективное управление парковками требует анализа огромного массива данных и проведения моделирования для оптимизации использования парковочных мест. Внедрение и функционирование умного платного парковочного пространства в г. Владивостоке создает интересную прикладную область для интеллектуального анализа данных и машинного обучения. В исследовании используются масштабный набор данных об исторических транзакциях по парковке во Владивостоке, включая тип транспортного средства, время, местоположение, продолжительность сессии и другие критерии для создания модели данных, отражающей взаимосвязь между ценами на парковку, спросом и доходами. В статье описывается механизм создания модели данных, включающей в себя все важные аспекты функционирования платных парковок и факторы, влияющие на заполняемость. Использование этой модели позволит проводить машинное обучение, применять модели и оценивать эффективность их применения. Исследование также определяет ключевые факторы, влияющие на спрос на парковку, такие как время суток, день недели, местоположение и др. Модель данных и идеи, полученные в результате этого исследования, могут быть использованы правительствами и собственниками для оптимизации использования платных парковок и улучшения управления дорожным движением в умных городах. Подход, представленный в этой статье, можно применить к другим городам для создания систем ценообразования на основе данных, отвечающих конкретным потребностям и характеристикам каждого города.

В статье приведены результаты применения метода акустической эмиссии (АЭ) и алгоритмов машинного обучения в задаче диагностики дефектов расслоения структуры многослойной печатной платы (МПП). Для решения поставленной задачи применяется комбинация физического и вычислительного экспериментов. Для проведения натурных испытаний в исследовании используется вибростенд для формирования нагрузки на испытуемый объект и получения сигналов акустической эмиссии. Вычислительный эксперимент проводится с помощью математического моделирования в специализированной среде ABAQUS. Для получения наилучшего решения задачи в ходе эксперимента решается оптимизационная задача по определению частоты гармонического сигнала, формируемого вибростендом, для получения максимального отклика исследуемой МПП и однозначной идентификации дефекта расслоения. В численных экспериментах были промоделированы воздействия и реакции (сигналы АЭ) МПП при различных частотах входных вибросигналов, лежащих в диапазоне от 100 до 2000 Гц. Натурные эксперименты проводились в лаборатории контроля и испытаний радиоэлектронных средств кафедры КПРЭС РТУ МИРЭА. Результаты исследования показали, что наиболее эффективной для обнаружения дефекта расслоения является частота вибрационного воздействия, равная 1500 Гц (дефект почти прямоугольной формы размером 30×37 мм). В дальнейшем это было подтверждено корреляционным анализом, позволившим выявить максимальные различия между сигналами акустической эмиссии годного образца МПП и образца с внесенным дефектом расслоения для входного вибровоздействия заданной частоты. Вторая часть исследования посвящена обработке результатов физического и вычислительного экспериментов, установлению степени адекватности полученных математических моделей реальным образцам МПП и процессам, протекающим в них, а также применению алгоритмов машинного обучения для более достоверной диагностики дефектов МПП. В представленном исследовании в качестве алгоритмов машинного обучения применялись методы случайного леса и опорных векторов (SVM). По результатам их выполнения была оценена точность работы двух алгоритмов.

В сложных энергетических системах используется большое количество различных потребителей с нелинейной нагрузкой, в основном являющихся сложными техническими и дорогостоящими устройствами. Из-за нелинейности нагрузки таких потребителей в сети возникают электромагнитные помехи, которые негативно влияют на работу. Вследствие их воздействия зачастую могут значительно снижаться качество сигналов и питания, а также срок службы устройств. Из-за электромагнитных помех, возникающих в слаботочных сигналах управления силовыми элементами, существует вероятность возникновения короткого замыкания в преобразователях частоты, которое приводит к полному выводу устройства из строя. Для снижения влияния электромагнитных помех на приборы зачастую применяют пассивную либо активную фильтрацию. Данная статья посвящена разработке и проектированию экспериментального образца активного фильтра для использования его в слаботочных цепях преобразователей частоты, а также разработке алгоритма работы системы управления активным фильтром. Метод исследования заключался в обзоре существующих решений, чтобы понять, как работают алгоритмы на других устройствах. Система управления, под которую разрабатывался алгоритм, реализована на отладочной платформе STM32F411E-DISCO. Такое решение позволит преодолеть проблемы, возникающие в процессе реализации устройства активного фильтра. Алгоритм работы для данного фильтра разрабатывался в программном комплексе MATLAB, благодаря чему нет необходимости в его дальнейшем переводе в код на языке С++, который загружается в микроконтроллер.

Обеспечение комфортных условий труда на рабочих местах становиться все более актуальным и необходимым. Одной из распространённых плодовых культур Южной Степи Запорожской области является черешня. Получение качественных плодов черешни довольно сильно коррелирует со степенью адаптивности выращиваемых сортов, которая определяется погодно-климатическими факторами региона. В данной работе предложено математическое моделирование соотношения температур окружающей среды со временем завершения биологического покоя черешни. Предложенная модель позволяет на основании входных метеорологических данных установить точку завершения биологического покоя у исследуемого сорта плодовой культуры. Модель использует единицы охлаждения, которые напрямую зависят от температуры. В статье описан программный комплекс, с помощью которого реализован алгоритм математического моделирования. Данный программный комплекс позволяет получить расчетные данные: предельные количественные значения единиц охлаждения CU; продолжительность процесса накопления установленного контрольного уровня охлаждения; дату окончания срока пребывания плодовых культур в состоянии анабиоза

Анализ временных рядов и прогнозирование являются одной из широко исследуемых областей. Идентификация с помощью различных статистических методов, нейронных сетей или математических моделей уже давно используется в различных областях исследований от промышленности, до медицины, социальной сферы, аграрной среды. В статье рассматривается параллельный вариант алгоритма идентификации параметров квазилинейного рекуррентного уравнения для решения задачи регрессионного анализа с взаимозависимыми наблюдаемыми переменными, основанный на обобщенном методе наименьших модулей (GLDM). В отличие от нейронных сетей, широко используемых в настоящее время в различных системах прогнозирования, данный подход позволяет в явном виде получать качественные квазилинейные разностные уравнения, адекватно описывающие рассматриваемый процесс. Это позволяет повысить качество анализа изучаемых процессов. Существенным преимуществом модели, использующей обобщенный метод наименьших модулей, по сравнению с многочисленными нейросетевыми подходами является возможность интерпретации коэффициентов модели с точки зрения задачи исследования и использование полученного уравнения в качестве модели динамического процесса. Проведенные вычислительные эксперименты с использованием временных рядов показывают, что максимальное ускорение алгоритма происходит при использовании количества потоков, равного половине возможных потоков для данного устройства.

Объектом исследования является совместная работа опорной металлической плиты базы колонны с нижерасположенной железобетонной плитой столбчатого фундамента на естественном основании в условиях реконструкции промышленного здания.
Цель работы состоит в получении напряженно-деформированного состояния опорной металлической плиты в базе колонны, железобетонной плиты столбчатого фундамента, а также значения контактных усилий между ними и характера их распределения по контактной плоскости.
Методы. Расчетное обоснование совместной работы опорной металлической плиты базы колонны с нижерасположенной железобетонной плитой столбчатого фундамента выполнено моделированием в программном комплексе Ing+2021 MicroFe с разработкой расчетной конечно-элементной пространственной модели.
Результаты. Получены напряженно-деформированное состояние двух контактных несущих элементов базы металлической колонны и совместная работа их взаимодействия, что позволило разработать рекомендации по восстановлению эксплуатационной пригодности бетона железобетонной плиты столбчатого фундамента в контурной зоне опорной металлической плиты колонн при реконструкции промышленного здания.

Аппроксимация передаточной функции звена чистого запаздывания с помощью минимально-фазовых звеньев представляет существенный теоретический интерес и также может быть полезным в практическом плане. Смысл такой аппроксимации состоит в отыскании возможностей применения хорошо развитого и продолжающего развиваться инструментария аналитических методов синтеза регуляторов к задачам управления объектами, содержащими в своей математической модели звенья чистого запаздывания. Разумеется, аппроксимация всегда неточна, но вопрос обеспечения достаточной точности всегда может быть решён путем использования модели более высокого порядка, коль скоро с ростом порядка модели уменьшается погрешность аппроксимации. Как правило, в литературе обсуждают модели аппроксимаций Тейлора и Паде, отдавая явное предпочтение модели Паде. Против этой модели можно выдвинуть такие возражения, как наличие существенного по величине отклика на выходе такой модели в момент поступления на её вход входного сигнала, что явно не соответствует реальному звену запаздывания ни в коей мере. Кроме того, отклик такой модели на ступенчатый скачок содержит большое количество колебаний в обратном направлении, чего также нет в отклике звена запаздывания. Данная статья ставит целью найти лучшую аппроксимацию в классе фильтров низкой частоты. В литературе найдено определение полиномов, получаемых методом численной оптимизации задачи отыскания наилучшего отклика при условии, что старший и младший коэффициенты этих полиномов равны единице. Эти полиномы, получившие название полиномов Чегорского, могут быть после некоторого масштабного преобразования в частотной области использованы для создания нового ряда полиномов, которые целесообразно использовать в знаменателе передаточной функции искомых фильтров, поскольку получаемые таким образом фильтры наилучшим образом отвечают поставленной задаче. Ранее эти полиномы были рассчитаны до 12 порядка включительно, расчетов для более высоких порядков в литературе нет. Причиной этому могли быть технические трудности решения задачи многопараметрической оптимизации, либо недостаточный интерес к полиномам высших порядков, поскольку о таком их применении не было известно. Данная статья решает задачу отыскания указанных полиномов до 26 порядка включительно, что даёт инструментарий для аппроксимации звена чистого запаздывания фильтрами низких частот со всеми положительными коэффициентами.

Статья рассматривает использование цифрового двойника в химии, представляющего собой виртуальное отображение реальной химической системы, а также методику его создания и применения. Проиллюстрирована сложность моделирования молекулярных систем и обоснована необходимость автоматизации этого процесса. Проведен анализ процесса возникновения молекулярных связей, и на его основе разработаны критерии составления продукционных правил, применяемых при моделировании сложных молекулярных систем. Показаны специфика составления и добавления продукционных правил в базу данных, а также особенности их использования в процессе моделирования. Кроме того, описаны программные алгоритмы формирования модели сложной молекулярной системы. Выполнена оценка эффективности автоматизированной системы в сравнении с ручной обработкой данных. Полученные результаты могут быть использованы специалистами в области химии, биологии и др.

A recurrent formula for estimating an impedance of the cathode catalyst layer with fast oxygen transport in a polymer electrolyte fuel cell is derived. The catalyst layer is divided into N sub-layers and application of the charge conservation law enables to obtain the nonlinear recurrent relation Zn = f(Zn-1), where Zn is the accumulated impedance of all sub-layers up to the n-th one. Numerical solution of this relation gives the total impedance of the catalyst layer with taking into account variation of the static overpotential of the oxygen reduction reaction along the depth of this layer. The model is simple, robust and two orders of magnitude faster than the standard model based on numerical solution of the differential equation.

The paper covers an intelligent support system that allows to describe and construct solutions to various scientific problems. In this study, in particular, we consider geophysical problems. This system is being developed at the Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of the Russian Academy of Sciences (ICMMG SB RAS) and Institute of Informatics System of the Russian Academy of Sciences (IIS SB RAS). The system contains a knowledge base, the core of which is a set of several interconnected ontologies such as the ontology of supercomputer architectures, the ontology of algorithms and methods. Ontology can be viewed as a set of concepts and how those concepts are linked. As the result, the authors present an ontological description of two geophysical problems via the means of the intelligent support system: 1) the seismic wavefield simulation and 2) the reconstruction of a seismic image through pre-stack time or depth migration. For a better visual understanding of the system described and the results obtained, the paper also contains several schematic diagrams and images.

Выполнено сценарное моделирование накопления америция и плутония-241 в модели двухкомпонентной ядерной энергетики России с тепловыми (ВВЭР) и быстрыми (БН) реакторами. При этом процесс переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) моделировался в двух вариантах: как приоритетная переработка ОЯТ реакторов ВВЭР или ОЯТ реакторов БН. Помимо накопления америция в системе без выжигания исследовалось накопление этого актинида с учетом его гомогенного выжигания в МОКС-топливе быстрых реакторов на уровне его равновесного содержания ~ 1%. Показано, что приоритетная переработка ОЯТ ВВЭР позволяет уменьшить накопление америция к концу века на ~8 тонн, при этом эффект достигается тем, что используется свежевыделенный плутоний с малой выдержкой, тем самым в быстром реакторе приоритетно уничтожается источник америция без непосредственного обращения с ним. Гомогенная добавка америция в топливо быстрых реакторов типа БН-1200 на уровне ~ 1% позволяет к 2070 г. остановить накопление америция в двухкомпонентной системе, стабилизировав его на уровне ~ 40 тонн в сценарии с приоритетной переработкой ОЯТ ВВЭР и ~ 50 тонн в сценарии с приоритетной переработкой ОЯТ БН.