Математические основы, модели и алгоритмы цифровой индустрии (итоговый)

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: оптимальное динамическое измерение, система леонтьевского типа, производная Нельсона–Гликлиха, многомерный винеровский процесс, алгоритм решения задачи, задача оптимального управления, метод градиентного спуска, модель измерительного устройства второго порядка, дескрипторная система, глубокие нейронные сети, машинные зрение и слух, многомерные задачи линейного программирования, параллельные алгоритмы анализа временных рядов, обнаружение дефектов промышленного оборудования и продукции, кибербезопасность индустриальных сетей, блокчейн, туманные и облачные вычисления, математические модели теплообмена, маршрутизация в плоских графах, анализ и синтез русскоязычной речи, детектирование и классификация объектов на видео, модель распространения загрязнения воздуха, идентификация источника загрязнения, экологический риск, биомониторинг, фиторемедиация, интеллектуальный тренажер, реактивность организма, постуральный баланс, экг, вариабельность сердечного ритма, испытательный стенд, стабилометрическая скамья, термографический контроль, алгоритм тренировок, ресурс, изнашивание, моделирование, надёжность. Объекты исследования: динамически искаженный сигнал, задача оптимального измерения, задача оптимального управления, математические модели фасеточного зрения на плоскости, задачи линейной оптимизации сверхбольшой размерности, временные ряды из приложений цифровой индустрии в виде показаний сенсоров и аудиозаписей шумов промышленного оборудования, данные конечно-элементного моделирования промышленного оборудования, данные ЭЭГ взрослых волонтеров, данные видеопотока, данные аудиозаписей на русском языке одиночных спикеров и хоров, данные трафика индустриальной сети, плоские графы как гомеоморфные образы раскройных планов, плохо обусловленные математические модели тепломассопереноса, приземный слой атмосферного воздуха, индикаторные биологические объекты, функциональные взаимодействия органов и систем человека, процессы срочной и долговременной адаптации при занятиях физической культурой и спортом, процессы, происходящие в системе «шип-смазочный слой-подшипник» при гидродинамическом, смешанном и граничном режимах смазки в процессе динамического нагружения трибосопряжения для создания цифровых моделей узлов трения машин и технологического оборудования. Цели работы. Работы, выполняемые на данном этапе, были направлены на достижение следующих основных целей. - разработка аналитических и численных методов исследования задач восстановления динамически искаженных сигналов, на основе корректно поставленных задач с использованием методов теории оптимального управления для дескрипторных систем; - разработка математической модели фасеточного зрения и метода определения азимута и расстояния до наблюдаемого объекта, который не требует использования активных датчиков; - разработка искусственных нейронных сетей для определения расстояния и азимута до наблюдаемого объекта в системе бинокулярного фасеточного зрения на плоскости, а также создание обучающих наборов данных на основе предложенной математической модели фасеточного зрения; - разработка новых масштабируемых моделей, методов и параллельных алгоритмов решения задач линейной оптимизации на основе синтеза суперкомпьютерных и нейросетевых технологий; - разработка новых масштабируемых методов и параллельных алгоритмов для решения задач интеллектуального анализа временных рядов; - разработка нового метода неразрушающей дефектоскопии сварных швов промышленных труб, использующего для анализа сенсорные данные сварочного стана металлургического предприятия; - разработка искусственной нейронной сети для определения наличия дефектов в подшипнике; - разработка новой архитектуры сверточной нейронной сети, содержащей небольшое число внутренних слоев и способной выделять целевой голос в сложной слуховой обстановке, содержащей многоголосые шумы, перекрывающиеся музыкальными фрагментами и широкополосные шумы больших городов; - разработка нового метода восстановления целевого голоса при его выделении из звукового потока, содержащего многоголосые шумы, перекрывающиеся музыкальными фрагментами и широкополосные шумы больших городов; - выполнение сравнительного анализа современной искусственной нейронной сети и алгоритма YAAPT для выделения основной частоты в задаче просодической разметки аудио записей голосов спикеров; - выполнение сравнительного анализа многоступенчатых архитектур нейронных сетей выделения признаков из аудио записи голоса спикера с временной задержкой и без нее для решения задачи классификации русскоязычного спикера; - разработка искусственной нейронной сети для синтезирования русской речи целевого спикера; - разработка подхода к распознаванию лиц на видеопотоке нейросетевыми методами и программной системы на его основе, позволяющей идентифицировать множество людей одновременно без прямого контакта с ними и без использования дорогостоящего оборудования; - разработка нейросетевых методов и программных систем на их основе, применяющих семейства нейросетевых моделей YOLO и Detectron для распознавания дорожных знаков, классификации и расчета скорости транспортных средств на видео; - первичная проверка гипотезы о зависимости функциональной связности мозга и невербального интеллекта для расширения рамок применимости характеристик функциональной связности мозга для определения когнитивных функций мозга; - разработка нейросетевого метода классификации сетевого трафика на основе обучения с подкреплением и приложения на основе данного метода для анализа и классификации сетевого трафика в режиме реального времени; - разработка алгоритма увеличения обучающего набора данных в области сетевой безопасности на основе применения генеративных состязательных сетей; - разработка подхода к обеспечению прозрачности и безопасности сделок, проводимых на металлургических и машиностроительных предприятиях, на основе технологии блокчейн; - разработка алгоритмов формирования гомеоморфного образа раскройного плана в виде плоского графа и построения маршрута в плоском графе для решения задач управления режущими машинами в промышленности; - разработка алгоритма идентификации параметров квазилинейного рекуррентного уравнения для прогнозирования развивающихся процессов и синтетической генерации исходных данных для решения различных прикладных задач; - разработка концепции организации потоков работ, позволяющей организовать эффективную обработку потоковых данных в облачных и туманных вычислительных средах, и программных средств поддержки данной концепции; - совершенствование математических моделей и методов расчета процессов теплопереноса; - повышение точности воспроизведения реальных условий работы технических систем, а также методов измерений и обработки данных экспериментов и испытаний; - разработка современных методов экологического мониторинга, обладающих прогностическими свойствами, в том числе методов биомониторинга и моделирования состояния атмосферного воздуха крупного промышленного города, и позволяющих оценить экологические риски для здоровья человека и состояния экосистемы, а также выработать стратегию улучшения состояния приземного слоя воздуха; - создание фундаментальных теоретических основ для создания интеллектуальных систем управления тренировочным процессом человека (интеллектуальный спортзал); - разработка комплекса математических моделей и алгоритмов, описывающих механизмы трения в сложнонагруженных подшипниках скольжения при любых возможных режимах смазки, учитывающих процессы взаимодействия смазочного материала с поверхностями трения, и позволяющих повысить достоверность моделирования процесса изнашивания для прогнозирования ресурса подшипников машин и технологического оборудования. Работа выполнена с использованием следующих методов: Сплайн метод, метод фильтрации входных данных Пытьева–Чуличкова, метод Савицкого-Голая, фильтр Калмана, метод фазового пространства, методы теории вырожденных полугрупп операторов, численные методы, методы математического и компьютерного моделирования, методы машинного и глубокого обучения с применением синтетических наборов данных, методы линейного программирования, методы параллельного и распределенного программирования, технологии блокчейн и интернета вещей, методы теории графов, методы теории некорректно поставленных задач, физико- математическое моделирование процессов рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое атмосферного воздуха, а также методов биомониторинга и фиторемедиации состояния городской воздушной среды, эксперимент, индукция; математическое моделирование, методы гидродинамической теории смазки, численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных, экспериментальные методы исследования подшипников скольжения и смазочных материалов.