Все выпуски

На закруглениях речного русла формируются вторичные поперечные течения. В зависимости от геометрии русла вторичных течений в створе может быть несколько, и они могут иметь различный масштаб. Даже малое вторичное поперечное течение влияет на параметры гидродинамического потока и это влияние необходимо учитывать при моделировании русловых процессов и исследовании береговых деформаций русла. Трехмерное моделирование таких разномасштабных процессов требует больших вычислительных затрат и на текущий момент возможно только для небольших модельных каналов. Поэтому для исследования береговых процессов в данной работе предложена модель пониженной размерности. Выполненная редукция задачи от трехмерной модели движения речного потока к двумерной модели потока в плоскости створа канала предполагает, что рассматриваемый гидродинамический поток является квазистационарным и для него выполнены гипотезы об асимптотическом поведении потока по потоковой координате створа. С учетом данных ограничений в работе сформулирована математическая модель задачи о движении стационарного турбулентного спокойного речного потока в створе канала. Задача сформулирована в смешанной постановке скорости–вихрь–функция тока. В качестве дополнительных условий для редукции задачи требуется задание граничных условий на свободной поверхности потока для поля скорости, определяемого в нормальном и касательном направлении к оси створа. Предполагается, что значения данного поля скорости должно быть определено из решения вспомогательных задач или получено из данных натурных или экспериментальных измерений. Для численного решения сформулированной задачи используется метод конечных элементов в формулировке Петрова–Галеркина. В работе получен дискретный аналог задачи и предложен алгоритм ее решения. Выполненные численные исследования показали в целом хорошую согласованность полученных решений с известными экспериментальными данными. Погрешности численных результатов авторы связывают с необходимостью более точного определения радиальной компоненты поля скорости в створе потока путем подбора и калибровки более подходящей модели вычисления турбулентной вязкости и более точного определения граничных условий на свободной границе створа.

At the river bed curves, secondary flow normal to the main flow direction are formed. Depending on the channel geometry, there may be several secondary flows in the cross-section, and they may have different scales. Even a small secondary cross-section flow affects the parameters of the hydrodynamic flow and this influence must be taken into account when modeling riverbed processes and researching coast deformations of the channel. Three-dimensional modeling of such multi-scale processes requires large computational costs and is currently possible only for small model channels. Therefore, a reduced-dimensional model is proposed in this paper to study coastal processes. The performed reduction of the problem from a three-dimensional model of river flow motion to a two-dimensional one in the plane of the channel cross-section assumes that the hydrodynamic flow is quasi-stationary and the hypotheses on the asymptotic behavior of the flow along the flow coordinate are fulfilled for it. Taking into account these limitations, a mathematical model of the problem of a stationary turbulent calm river flow in a channel cross-section is formulated in this work. The problem is formulated in a mixed velocity–vortex–stream function formulation. Specifying of the boundary conditions on the flow free surface for the velocity field determined in the normal and tangential directions to the cross-section axis is required as additional conditions for the problem reduction. It is assumed that the values of this velocity field should be determined from the solution of auxiliary problems or obtained from data of natural or experimental measurements.

The finite element method in the Petrov–Galerkin formulation is used for the numerical solution of the formulated problem. A discrete analog of the problem is obtained and an algorithm for its solution is proposed. The performed numerical studies showed generally good agreement between the obtained solutions and the known experimental data. The authors associate the errors in the numerical results with the need for a more accurate determination of the radial component of the velocity field in the cross-section by selecting and calibrating a more suitable model for turbulent viscosity calculating and a more accurate determination of the boundary conditions on the cross-section free boundary.

В работе предложена русловая модель, позволяющая исследовать процесс развития донных волн с учетом стохастического возмущения потока. Исследовано влияние гидродинамических параметров потока на процесс образования и развития донных волн. Сравнение полученных результатов с натурными данными показало их хорошее качественное и количественное образование.

In this paper we have proposed a channel model which allows to explore the process of development of bottom waves with regard for the stochastic perturbation of the flow. The effect of hydrodynamic flow parameters on the process of formation and development of bottom waves is studied. The comparison of the results obtained by using the model with the field data shows good qualitative and quantitative statuses of the model  wave formation.

Предлагается математическая модель развития берегового склона равнинной реки, имеющей песчаное основание. Для определения транспорта донных наносов в данной работе используется оригинальный аналитический закон, не содержащий феноменологических параметров. Для решения задачи предлагается расщепление расчетной области на две подобласти по преобладающим механизмам деформирования дна. Получена асимптотическая формула, определяющая скорость отступления берегового склона, согласующаяся с точностью до коэффициента с эмпирической формулой Л.И. Викуловой.

We propose a mathematical model for a coastal slope development of a plains river with a sandy bottom. To determine the transportation of bed sediments the original analytical law, which does not contain phenomenological parameters has been used. To solve the problem we suggest splitting the computational domain into two subregions according to the dominant mechanisms of deformation of the bottom. We have obtained an asymptotic formula, which determines the rate of retreat for the coastal slope, and accurate to the factor complies with the empirical formula of L.I. Vikulova.

В работе предложена одномерная по пространству русловая математическая модель. В модели использована оригинальная равновесная формула движения влекомых наносов, учитывающая влияние морфологии дна, физико-механических и гранулометрических параметров донного материала на процесс транспорта влекомых наносов. Формула не содержит в себе новых феноменологических параметров. Гидродинамический поток описывается стационарными уравнениями движения в рамках теории «мелкой воды». Предложен численный алгоритм решения уравнений математической постановки методом контрольных объемов. В качестве верификации предложенной модели рассмотрена задача об изменении геометрии поперечной русловой прорези при движении над ней транзитного гидродинамического потока. Выполнено сравнение полученных решений с экспериментальными данными и расчетами других авторов. Предлагаемая модель хорошо восстанавливает фронт движения подветренной и напорной частей каверны и ее глубину. В среднем по области получено высокое согласование результатов численных расчетов с экспериментальными данными, средняя относительная погрешность полученных данных относительно экспериментальных данных близка к 5%. По результатам верификации предложенной модели сделан вывод о том, что математическая модель качественно и количественно описывает процесс деформации донной поверхности под действием гидродинамического потока.

The paper presents a river-bed mathematical model that is one-dimensional in space. In the model we use the original equilibrium formula of bed-load sediment motion, which takes into account the influence of bottom morphology, physical and mechanical parameters of the bottom material on bed-load sediment transport process is used. The formula does not contain new phenomenological parameters. The hydrodynamic flow is described by the steady motion equations within the bounds of the “shallow water’’ theory. The numerical algorithm for the solution of the governing equations by the control volume method is proposed. The problem of changing geometry of a cross-channel trench when moving over it transit hydrodynamic flow is considered as a verification of the model. The obtained solutions are compared with an experimental data and calculations of other authors. The movement front of the downstream and upstream trench regions, as well as the trench depth, are well-restored due to the model proposed. On average, we obtained a high degree of agreement between the numerical results and experimental data in the region, the mean-relative error between the calculated and measured data is close to 5%. According to the verification results of the proposed model we have concluded that the mathematical model quantitatively and qualitatively describes the process of bottom surface deformation under the influence of hydrodynamic flow.

Рассматривается проблема автоматизации процессов передачи и обработки информации в адаптивных информационных системах. Анализ существующих подходов к решению данной задачи показал перспективность использования нейросетевых технологий. Сформулирован нейросетевой метод обработки и передачи информации в адаптивных информационных системах. Метод включает формализованное описание нейросетевого канала данных — программного инструмента для анализа, обработки данных и выбора протокола передачи данных. Изложены основные этапы предлагаемого метода: классификация структур исходных данных, их преобразование, обработка данных, выбор необходимого протокола передачи информации. Каждый из этапов реализуется посредством нейронных сетей различной архитектуры. Приведено теоретическое обоснование возможности применения нейросетевого метода, полученное на основе доказательства ряда теорем. Новизна предлагаемого метода заключается в переходе от аналитического решения задач классификации, обработки и передачи данных к автоматизированному подходу с применением технологий машинного обучения. Практическая значимость нейросетевого метода состоит в снижении сложности реализации процессов обработки и передачи информации, повышении уровня автоматизации при организации межмодульного взаимодействия. Проведена оценка реализации нейросетевого метода по ряду метрик оценки сложности программного обеспечения. Проанализированы область применения, достоинства и недостатки разработанного метода.

The problem of automation of the processes of information transmission and processing in adaptive information systems is considered. An analysis of existing approaches to solving this problem showed the prospects of using neural network technologies. A neural network method for processing and transmitting information in adaptive information systems is formulated. The method includes a formalized description of a neural network data channel — a software tool for analysis, data processing and selection of data transfer protocol. The main stages of the proposed method are outlined: classification of the structures of the source data, their transformation, data processing, selection of the necessary protocol for transmitting information. Each of the stages is implemented through neural networks of various architectures. The theoretical rationale of the possibility of using the neural network method is given, obtained on the basis of the proof of a number of theorems. The novelty of the proposed method consists in the transition from an analytical solution of the problems of classification, processing and data transfer to an automated approach using machine learning technologies. The practical significance of the neural network method is to reduce the complexity of the implementation of information processing and transmission processes, to increase the level of automation in the organization of intermodular interaction. The implementation of the neural network method has been assessed using a number of software complexity assessment metrics. The application, virtues and failings of the developed method are analyzed.

Рассматривается задача автоматизации процесса разработки информационных систем на основе применения оригинальной нейросетевой архитектуры. Проведен анализ существующих подходов к автоматизации проектирования информационных систем. Сформулированы рекомендации к архитектуре информационных систем, направленные на снижение негативного влияния человеческого фактора. Представлена общая концепция нейросетевой архитектуры в виде структурной модели, даны определения основных сущностей и компонентов. Ключевыми отличиями нейросетевой архитектуры являются: независимость ключевых сущностей информационных систем и возможность автоматизации их проектирования и взаимодействия на основе применения нейронных сетей; изолированность математического обеспечения архитектуры; разграничение моделей информационных процессов и функциональных элементов от управляющих систем и систем представления информации; учет влияния окружения на процессы движения информационных потоков, элементы управления и представления системы; возможность адаптации структурных блоков информационных систем под особенности предметной области, параметры оборудования пользователя без необходимости внесения существенных изменений в архитектуру. Рассмотрено понятие нейросетевого канала данных, его структура и обобщенное математическое обеспечение. Осуществлена декомпозиция структурной модели. Представлены структурные схемы каждой сущности нейросетевой архитектуры информационных систем, описание основных компонентов, используемые нейросетевые каналы данных для связи сущностей и их компонентов. Проанализирована область применения нейросетевой архитектуры.

The problem of process automation for the development of information systems based on the application of the original neural network architecture is considered. An analysis of existing approaches to the automation of information systems design is carried out. Recommendations for the information systems architecture, aimed at reducing the negative impact of human factor, are formulated. A general concept of neural network architecture in the form of a structural model is presented. Definitions of the main entities and components are given. The key differences of the neural network architecture are: the independence of the key entities of information systems and the possibility of automation of their design and interaction based on the use of neural networks; isolation of the mathematical software of architecture; separation of models of information processes and functional elements from control systems and information representation systems; taking into account the influence of the environment on the processes of movement of information flows, the elements of control and system visualization; the possibility of adapting structural units of information systems to the characteristics of the subject area, the parameters of user equipment without the need to make significant changes to the architecture. The concept of a neural network data channel, its structure and generalized mathematical software are considered. The decomposition of the structural mode is implemented. The structural diagrams of each entity of the neural network architecture of information systems, the description of the main components, the neural network data channels used to connect the entities and their components are presented. The scope of application of the neural network architecture is analyzed.