Научный архив: статьи

Работа посвящена имитационному моделированию эволюции температурного поля в многослойной фоточувствительной структуре матричного фотоприемника (МФП) при облучении его интенсивным лазерным излучением. Разработанная модель позволяет учитывать топологию и параметры многослойной структуры МФП, физические характеристики ее материалов, а также свойства криогенной охлаждающей системы. Результаты использованы для оценки нагрева InSb МФП импульсным лазерным излучением.

Цель. Использование новых технологий в интеллектуальных системах водного транспорта (ИСВТ), сопряжено с дополнительными рисками безопасности, которые обусловлены появлением новых типов угроз. Входящие в состав ИСВТ автоматизированные системы корпоративного и технологического управления являются объектами критической информационной инфраструктуры (КИИ). Это накладывает на ИСВТ повышенные требования безопасности. Программно-аппаратные комплексы, реализующие данные решения, в настоящее время находятся в состоянии активной разработки. Во многих случаях физическое макетирование объектов ИСВТ в разумные сроки затруднительно и экономически нецелесообразно. Эффективное решение данных вопросов обеспечивают современные методы имитационного моделирования. Они позволяют создавать цифровые прототипы объектов ИСВТ и ИСВТ в целом в безопасных виртуальных средах, на что было направлено исследование, результаты которого представлены в статье. Методы. Использованы методы системного анализа, исследования операций, имитационного моделирования, обеспечения безопасности ИСВТ. Результаты. Рассмотрена эволюция имитационного моделирования и приведена терминология в данной области. Определены типовые объекты КИИ в составе ИСВТ и объекты для цифрового моделирования. Проведен анализ средств создания цифрового испытательного стенда анализа безопасности объектов КИИ ИСВТ. Приведены описание цифрового испытательного стенда анализа безопасности объектов КИИ ИСВТ и примеры функционирования. Заключение. Представленный в работе цифровой испытательный стенд позволяет встраивать в свою среду как существующие, так и создаваемые отечественные защищенные программно-аппаратные комплексы, решать задачи по управлению рисками безопасности функционирования объектов ИСВТ. Это обеспечивает возможности применения стенда на различных этапах жизненного цикла объектов КИИ ИСВТ. Дальнейшее развитие стенда связано с разработками цифровых двойников акваторий внутренних водных путей, отечественных программно-аппаратных комплексов объектов КИИ ИСВТ, средств защиты объектов КИИ ИСВТ от компьютерных атак и методов гибридного управления их безопасностью.

В статье проводится исследование современного состояния и перспектив развития архитектур программного обеспечения для создания цифровых двойников производственных систем. Основное внимание уделяется анализу понятийного поля и ключевых направлений в данной области на основе библиометрического подхода с применением программного обеспечения VOSviewer. Материал даёт характеристику наиболее часто встречающихся терминов, таких как model, simulation, optimization, monitoring, digital twin и system, и выделяет четыре кластера программного обеспечения: требования к цифровым двойникам, преимущества их использования, умное производство и предиктивные технологии. В статье обозначается отсутствие единого подхода к проектированию платформ цифровых двойников, а также рассматриваются факторы, влияющие на определение оптимальной архитектуры: масштабируемость, адаптивность, устойчивость к отказам, интеграционные возможности и удобство сопровождения. В работе проводится анализ разработанной многофункциональной архитектуры программного обеспечения, предназначенной для адаптации под многозадачные пользовательские запросы и интеграции с виртуальной реальностью. В статье подробно освещается функционал системы: создание детализированных 3D- и 2D-моделей производственных комплексов, сбор и аналитическая обработка статистических данных, автоматическое формирование спецификаций (BOM), генерация отчётности, а также поддержка импорта и экспорта данных в различных форматах (DXF, DWG). Работоспособность разработанной архитектуры подтверждается практическим опытом её реализации на базе программного комплекса «Рациональное производство» и апробацией решения на промышленных предприятиях, подтверждающими её экономическую эффективность: сокращение производственных циклов, снижение простоев, оптимизация складских операций и повышение производительности. Особое внимание уделяется возможности масштабирования системы под предприятия различного профиля и размера, что обеспечивает её широкую применимость в условиях цифровой трансформации промышленности и интеграции в концепцию Индустрии 4.0. Области, рассмотренные в работе, будут интересны специалистам в области промышленной автоматизации, цифрового проектирования, ИТ-разработчикам и исследователям, а также представителям бизнеса, заинтересованным в повышении конкурентоспособности своих производств.

Горнодобывающий сектор относится к числу наиболее рискованных направлений экономической деятельности, что обусловлено нестабильностью цен на сырьевые товары, геологической неопределённостью, динамикой законодательного регулирования и высоким уровнем капитальных вложений. Традиционные методики финансового анализа зачастую оказываются недостаточными при оценке инвестиционных инициатив в подобных условиях. В рамках настоящего исследования разработан и обоснован инженерный подход к моделированию неопределённости в финансовой оценке проектов горнодобывающих предприятий. Предложенная методология базируется на применении вероятностного анализа, имитационного моделирования и сценарного подхода для повышения достоверности прогнозов и минимизации потенциальных рисков. Эффективность разработанного методического аппарата подтверждена практическим внедрением на примере реального инвестиционного проекта в сфере разработки месторождений полезных ископаемых. Результаты исследования могут быть использованы компаниями отрасли для усиления устойчивости и формирования долгосрочной конкурентной позиции.

Статья посвящена разработке методического подхода к повышению достоверности результатов имитационного моделирования роботизированных технологических комплексов за счёт включения в модель факторов неопределённости и случайных событий. Актуальность исследования обусловлена необходимостью получения реалистичных прогнозов производительности, что невозможно в рамках традиционных детерминированных моделей, не учитывающих возможные отказы и сбои оборудования, а также внешние и логистические воздействия. Предложенный подход включает классификацию стохастических факторов, применение метода Монте-Карло для вероятностного моделирования и программную реализацию алгоритмов на языке Python в среде R-Pro. Результаты исследования демонстрируют возможность создания имитационных моделей, способных воспроизводить не только штатный технологический процесс, но и вероятностные отказы и сбои, что позволяет проводить более точный анализ пропускной способности, выявлять «узкие места» и повышать обоснованность принимаемых проектных решений.

В статье представлена структура управляемого взаимодействия моделей секторов домохозяйств и государственных учреждений в составе макроэкономической системы. Проведены экспериментальные исследования процессов управляемого взаимодействия секторов домохозяйств и государственных учреждений в условиях возмущений и принятия решений при управлении государственными расходами. Показано, что рост социальных трансфертов и выделение дотаций на бюджетное выравнивание позволяют увеличить потребительский спрос и обеспечить последующий рост экономики.

Одним из важных аспектов, влияющих на лояльность покупателей магазина розничной торговли, являются скорость и удобство обслуживания, что важно в условиях роста конкуренции среди торговых точек для совершения повседневных покупок. Наличие очередей для значительной доли покупателей может оказаться решающим фактором при выборе между двумя торговыми точками. Авторы рассмотрели два подхода имитационного моделирования для решения этих проблем: дискретно-событийное и пешеходное моделирование. Обозначены достоинства и недостатки каждого метода, построены модели двух типов для типичного супермаркета «у дома», расположенного на первом этаже жилого здания. Доказана принципиальная возможность использования программного продукта Anylogic для решения обозначенных задач.

Рост развития автономного транспорта связан с повышением безопасности на дорогах, снижением столкновений и повышением эффективности логистических операций. На безопасность также влияет такой фактор, как усложнение дорожных условий и задач, связанных с навигацией и управлением автомобиля, и поэтому традиционные алгоритмы управления оказываются недостаточно качественными и эффективными.

Цель исследования - разработка интеллектуальной системы, которая позволяет автономному транспортному средству самостоятельно управлять курсом движения автономного агента (модель автомобиля), который обучается навигации и следованию по заданному курсу с помощью обучения с подкреплением на основе взаимодействия с имитационной средой методом актер-критик.

Материалы и методы. В данной работе для реализации и обучения модели с подкреплением использовалась библиотека Stable-Baselines3 (SB3), построенная на фреймворке PyTorch. В качестве среды обучения использовался симулятор DonkayCar. Для повышения скорости и эффективности обучения был применен алгоритм шумоподавляющего автокодера для выделения зоны интереса.

Результаты. В рамках исследования была проведена серия сравнительных тестов, направленных на оценку влияния различных параметров эффективности обучения модели - ограничение скорости, ограничение угла поворота колес, ширины допустимого отклонения, непрерывности движения, коэффициента дисконтирования, частоты отрисовки кадров.

Выводы. Результаты исследования позволяют сделать выводы о потенциале использования обучения с подкреплением в сфере автономного транспорта, включая необходимость дообучения модели на реальных данных, перспективы масштабирования на транспортные средства различного класса, ограничения, связанные с вычислительными ресурсами и необходимостью безопасной верификации поведения.

В исследовании представлены апробация и результаты имитационного моделирования поверхностных потоков, вызванных результатами вулканической деятельности. Проведён анализ различных реологических моделей с обоснованием эффективности модели генерализованной жидкости Гершеля – Балкли применительно к геодинамическим процессам (лахары, сели, обвалы и проч.). Предложенная гипотеза была проверена и подтвердила свою жизнеспособность на основании сведений о реально случившемся событии – извержении вулкана Чайтен. Результаты исследования могут стать эффективным инструментом в прогнозировании и оценке последствий иных геодинамических процессов как эндогенной, так и экзогенной природы происхождения.

Рассматриваются нестационарные эффекты при работе двухканальной RQ система массового обслуживания (СМО) с обменом заявками в процессе обслуживания. Исследование направлено на выявление особенностей функционирования гибридного кол-центра с параллельным обслуживанием человеком-диспетчером и интеллектуальным голосовым ботом. Заявки, не получившие обслуживания, переходят на «орбиты», откуда осуществляются повторные звонки. По истечении случайного времени, определяемого терпеливостью клиентов, заявки покидают «орбиты». Интеллектуальный бот обладает более высокой скоростью обслуживания в сравнении с диспетчером-человеком. Поток заявок на входе распределяется между каналами обслуживания случайным образом. Учитывается, что часть клиентов в ходе обслуживания может предпочесть переход к альтернативному диспетчеру. В процессе работы у диспетчера-человека имеются короткие перерывы для отдыха и длинный перерыв на обед. В эти временные промежутки обслуживание полностью осуществляется ботом. Прерывистость режимов обслуживания приводит к нестационарным эффектам в виде текущего изменения пропускной способности СМО. Поступающие заявки описываются пуассоновским процессом, когда обслуживание открыто. Численные расчеты основаны на дискретно-событийном имитационном моделировании системы. На каждом шаге таймер модельного времени увеличивается на фиксированную величину шага. Состояние системы за временной шаг изменяется случайным образом, как марковский процесс, т. е. вероятность перехода зависит только от текущего состояния СМО и не учитывает эффектов памяти. Предложен алгоритм имитационного моделирования, основанный на разбиении всего периода работы СМО на малые интервалы, в течение каждого из которых вероятности изменений малы. Наличие альтернатив в работе СМО приводит к ветвлению процесса. Статистический характер функционирования СМО учитывается в ансамбле реализаций компьютерной модели и характеризуется дисперсией результатов. В качестве примера проведено моделирование кол-центра жилищной управляющей компании, показавшее перспективность повышения доли интеллектуальных ботов в обслуживании звонков.

Представленная работа посвящена разработке интеллектуальной системы управления микроклиматом зданий (система класса HVAC). Исследование направлено на решение проблемы недостаточной адаптивности традиционных подходов (PID-регуляторы, системы, основанные на знаниях) в условиях динамически изменяющихся параметров внутренней среды здания. Основное внимание уделено созданию гибридного метода, сочетающего преимущества функционального программирования и искусственного интеллекта. В работе рассматриваются вопросы энергоэффективности, точности поддержания комфортных условий для посетителей интеллектуального здания и устойчивости HVAC-системы к внешним возмущениям. Особое значение имеет задача минимизации эксплуатационных расходов при одновременном обеспечении безопасности и надёжности работы оборудования. Представленное исследование охватывает все этапы разработки программного средства - от проектирования его архитектуры до практической апробации. В основе исследования лежит подход функционального двойника, реализованного на языке Haskell. Использованы LSTM-сети для прогнозирования, генетические алгоритмы для оптимизации и RETE-алгоритм для обработки правил. Верификация проведена методом имитационного моделирования с генерацией 1440 точек данных. Научная новизна представленной работы заключается в применении теоретико-категориального подхода к моделированию функционального двойника, в котором каждое устройство (как сенсоры, так и исполнительные устройства) представлено как композиция чистых функций. Результаты показывают снижение энергопотребления на 14.7%, увеличение времени работы в комфортном диапазоне до 94.7% и трёхкратное сокращение числа переключения режимов функционирования HVAC-системы. Практическая значимость подтверждена снижением эксплуатационных расходов на 15% и повышением киберустойчивости за счёт использования иммутабельных структур данных. Выводы свидетельствуют о том, что сочетание функционального программирования с гибридным подходом в искусственном интеллекте обеспечивает баланс ключевых параметров системы. Предложенная архитектура может служить эталоном для интеграции IoT и киберфизических систем в рамках Индустрии 4.0.

В современных условиях, ввиду достижения значительного прогресса российскими учеными и специалистами в области уплотнения поездопотоков за счет внедрения передовых систем интервального регулирования движения поездов, вопрос выбора наиболее рациональной из них становится все актуальнее. Целью работы являлась апробация методики технико-экономической оценки эффективности различных систем интервального регулирования на однопутных полигонах. В рамках исследования применена теория игр в сочетании с имитационным моделированием при использовании процессного подхода для симуляции действий дежурного персонала, агентного подхода для выбора режима ведения поезда, системной динамики для тяговых расчетов. Апробация подхода проведена на основе Северного широтного хода, сформированы платежные матрицы для пяти систем. Определены границы эффективности основных систем интервального регулирования в зависимости от путевого развития раздельных пунктов однопутного полигона, типа графика движения поездов, характеристик поездопотока и прочих условий эксплуатационной работы. Для Северного широтного хода при проектных размерах движения оптимальным является использование автоблокировки с «фиксированными» блок-участками при частично-пакетном графике с двумя поездами в пакете, после проведения достаточного количества испытаний по работе в режиме автоблокировки при аналогичных условиях максимальную эффективность может продемонстрировать разработанная АО «НИИАС» система «Анаконда». Предложенный теоретико-игровой подход для выбора наиболее экономически эффективной системы управления движением на однопутном полигоне с учетом местных условий его работы может быть использован для рационализации распределения инвестиций компании ОАО «РЖД». Сформулированные в результате его применения выводы не противоречат основным положениям теории транспортных потоков и дополняют исследования, посвященные оценке эффективности интервального регулирования на однопутных полигонах.