Введение 4
1 Анализ предметной области 6
1.1 Теория катастроф 6
1.2 Скачкообразные процессы (лавины) 9
1.3 Область применения 15
Вывод по разделу 1 16
2 Математическое моделирование многомерных процессов 17
2.1 Виды моделирования 17
2.2 Математическое моделирование 18
2.3 Идентификация лавинообразных процессов и обнаружение лавины ... 21
2.3.1 Постановка задачи идентификации 21
2.3.2 Параметрическая и непараметрическая идентификация 23
2.3.3 Непараметрические методы идентификации 24
2.3.4 Обнаружение лавины 26
Выводы по разделу 2 27
3 Построение модели лавинообразного процесса и ее исследование 29
3.1 Постановка задачи моделирования 29
3.2 Алгоритм построения модели лавинообразного процесса 30
3.3 Численные исследования модели лавинообразного процесса 34
Выводы по разделу 3 54
Заключение 56
Список использованных источников 59
В современном мире существует множество процессов, которые имеют скачкообразный характер. Это могут быть экономические кризисы, изменения климата, эпидемии и другие явления, которые происходят не постепенно, а скачками. Такие процессы могут иметь серьезные последствия для общества и экономики, поэтому очень важно уметь предсказывать их развитие и принимать меры для их предотвращения.
Многомерные процессы, имеющие скачкообразный характер, могут быть смоделированы с помощью математических методов. Для этого используются данные о различных факторах, которые могут влиять на такие процессы. Например, для моделирования экономического кризиса могут использоваться данные о состоянии рынков, уровне инфляции, политической ситуации и других факторах.
Моделирование скачкообразных процессов является важным инструментом для предотвращения катастрофических событий. Оно позволяет оценить поведение конструкций при возникновении скачкообразных нагрузок и принимать меры для их предотвращения. Кроме того, моделирование скачкообразных процессов помогает улучшить систему предупреждения о возможности таких процессов и создать более эффективные методы защиты от них.
Целью данной работы является повышение эффективности моделирования многомерного процесса, имеющего скачкообразный характер.
Для достижения данной цели необходимо выполнить следующие задачи:
- анализ предметной области, относящейся к выбранной теме;
- исследование появления лавинообразного процесса и его характеристик;
- разработка методов математического моделирования лавинообразных процессов;
- реализация программного модуля задачи моделирования.
Результаты работы могут быть использованы при работе с скачкообразными процессами во многих сферах: экономической, физической, природной и др. Это подтверждается тем, что в настоящее время человечество достаточно часто сталкивается с различными катастрофами и катаклизмами, имеющими характер данных процессов.
В настоящий момент огромный интерес собой представляют многомерные процессы, которые изменяются скачкообразно при плавно изменяющемся воздействии внешних условий. Такие многомерные процессы назовем лавинообразными.
Моделирование лавинообразных процессов является важным инструментом для предотвращения катастрофических событий. Оно позволяет оценить поведение конструкций при возникновении скачкообразных нагрузок и принимать меры для их предотвращения. Кроме того, моделирование лавинообразных процессов помогает улучшить систему предупреждения о возможности таких процессов и создать более эффективные методы защиты от них.
Был сделан акцент в исследовании теоретического материала на тему моделирования. Приведены основные виды моделирования и более подробно рассмотрена тема математического моделирования. Математическое моделирование - важный вид моделирования, который предполагает использование математических уравнений и моделей для анализа и прогнозирования поведения сложных систем и процессов. Рассмотрены основные этапы математического моделирования и представлены его прямая и обратная задачи.
Также, подробно изучена тема идентификации. Идентификация математического описания объекта является основным этапом в построении адекватной математической модели исследуемого процесса, а также является одной из центральных задач математического моделирования. Также были рассмотрены некоторые методы непараметрической идентификации многомерных процессов.
Далее был рассмотрен алгоритм обнаружения лавины. Задача обнаружения лавины является основным этапом исследования лавинообразного процесса. При успешном обнаружении лавины становится возможным не только предсказать ее появление, но и, выбрав необходимый алгоритм, «сгладить» лавину и предотвратить появления резкого скачка выходной переменной процесса.
В вычислительных экспериментах для построения модели лавинообразного процесса была использована статистика, основанная на непараметрической оценке функции регрессии и вычислена ошибка точности моделирования. В соответствии с их значениями можно сделать вывод о близости модели к исследуемому процессу, что подтверждает значительно высокую точность моделирования.
В итоге после проведенных опытов можно утверждать, что предлагаемые в данной работе алгоритмы построения лавинообразного процесса показывают неплохие результаты, а именно точность моделирования достаточно высока. Накладывание помехи показало, что с ее увеличением точность моделирования лавинообразного процесса становится меньше. Но одновременное убывание параметров размытости достаточно эффективно повышает точность моделирования даже при наложении помехи.
Исходя из результатов проведенных экспериментов, можно с уверенностью предположить, что точность моделирования лавинообразного процесса можно повысить с помощью определенной настройки параметров исследуемого процесса.
Также был реализован алгоритм обнаружения и сглаживания лавины. Была проведена серия экспериментов при различных значениях таких параметров, как помеха, объем выборки и параметры размытости входных воздействий. Результаты экспериментов показывают, что выбранный алгоритм сглаживания эффективен при различных значениях входных параметров.
В заключении, можно сделать вывод о том, что проведенное исследование имеет достаточную значимость для моделирования лавинообразных процессов и повышения его точности, а также является значимым для исследований, направленных на обнаружение и сглаживание лавины. Изложенные в работе результаты могут быть использованы в дальнейшем для исследования лавинообразных процессов, в частности для моделирования, а также в дальнейшем для прогнозирования и предотвращения возникновения лавины в задачах управления лавинообразным процессом.
1. Арнольд, В. И. Теория катастроф / В. И. Арнольд. - 3-е изд., доп. - Москва : Наука, 1990. - 127 с. - ISBN 5-02-014271-9.
2. Идаятова, А. К. О сглаживании траекторий лавинообразных процессов / А. К. Идаятова // Молодёжь и наука: Сборник материалов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных, посвященной 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. - 5 с.
3. Медведев, А. В. Основы теории адаптивных систем : монография / А. В. Медведев. - Красноярск : [б. и.], 2015. - 525 с. - ISBN 978-5-86433-657-1.
4. Томпсон, Дж. М. Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике / Дж. М. Т. Томпсон. - Москва : Мир, 1985. - 254 с.
5. Спротт, Дж. К. Элегантный хаос: алгебраически простые хаотические потоки / Дж. К. Спротт. - Ижевск : ИКИ, 2012. - 328 с. - ISBN 978-5-4344-0069¬5.
6. Медведев, А.В. Основы теории непараметрических систем. Идентификация, управление, принятие решений / А.В. Медведев. - Красноярск : СибГАУ им. М.Ф. Решетнева, 2018. - 732 с. - ISBN 978-5-86433-750-9.
7. Гилмор, Р. Прикладная теория катастроф / Р. Гилмор. - Москва : Мир, 1984. - Кн. 1. - 350 с.; Кн. 2. - 285 с. - ISBN: 999-00-1362873-0.
8. Гилмор, Р. Теория катастроф для учёных и инженеров / Р. Гилмор. - Москва : Мир, 1983. - 484 с.
9. Теория бифуркаций динамических систем на плоскости / Андронов А.А., Леонтович Е.А., Гордон И.И., Майер А.Г. - Москва : Наука, 1967. - 487 с.
10. Эйкхофф, П. Основы идентификации непараметрических систем управления / П. Эйкхофф. - Москва : Мир, 1975. - 681 с.
11. Корнеева, А. А. Непараметрические модели и алгоритмы управления для многомерных систем с запаздыванием : специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Корнеева Анна Анатольевна; СибГАУ им. М.Ф. Рефетнева - Красноярск, 2014. - 176 с.
12. Медведев, А. В. Теория непараметрических систем. Моделирование / А. В. Медведев // Вестник сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М.Ф. Решетнева. - 2010. - №4 (30). - С. 4-9.
13. Цыпкин, Я. З. Адаптация и обучение в автоматических системах / Я. З. Цыпкин. - Москва : Наука, 1968. - 400 с.
14. Надарая, Э. А. Непараметрические оценки плотности вероятности и кривой регрессии. / Э. А. Надарая. - Тбилиси : Издательство Тбилисского. университета, 1983 - 194 с.
15. Демченко, Я. И. Об исследовании некоторых непараметрических оценок функции регрессии по наблюдениям : научная статья / Я. И. Демченко, А. И. Орлова // Вестник СибГАУ им. М. Ф. Решетнева. - Красноярск, 2010. - №5 (31). - С. 166-170.
16. Ярещенко, Д. И. Непараметрические алгоритмы моделирования и управления многомерными безынерционными системами с запаздыванием : специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. / Ярещенко Дарья Игоревна ; СибГАУ им. М.Ф. Решетнева. - Красноярск, 2020. - 138 с.