Цели. Современные электрические сети, трансформирующиеся в децентрализованные смарт-сети, сталкиваются с новыми вызовами в области кибербезопасности. Цель работы – провести исследование и анализ эффективности различных методов машинного обучения для выявления аномалий в децентрализованных смарт-сетях, включая кибератаки и аварийные режимы, для разработки рекомендаций по оптимальному сочетанию этих методов для обеспечения эффективной кибербезопасности в условиях изменяющейся электрической нагрузки.

Методы. Рассматриваются различные методы машинного обучения для выявления аномалий в энергосистемах, моделирующих поведение сети в условиях кибератак и аварийных режимов. Проведен анализ эффективности таких методов, как мультифрактальный анализ с использованием вейвлетов и модель изолированного леса (Isolation Forest), локальный коэффициент выбросов (local outlier factor, LOF), кластеризация методом k-средних и одноклассовая машина опорных векторов (One-Class SVM).

Результаты. Рассмотрены различные методы машинного обучения для выявления аномалий в энергосистемах, моделирующих поведение сети в условиях кибератак и аварийных режимов. Методы обнаружения аномалий показали разную эффективность в выявлении киберугроз и отклонений в электрических системах. Метод Isolation Forest лучше всего обнаруживает резкие изменения, связанные с кибератаками, высокой точностью и минимумом ложных срабатываний. Метод LOF также может выявлять кибератаки, но его повышенная чувствительность к мелким отклонениям увеличивает число ложных срабатываний. Методы k-средних и One-Class SVM менее эффективны в выявлении резких аномалий, но полезны для общей кластеризации данных и обнаружения как резких, так и плавных изменений соответственно.

Выводы. Полученные результаты исследований указывают на то, что для обеспечения надежной защиты смарт-сетей от кибератак следует использовать комбинацию алгоритмов машинного обучения с учетом характера электрической нагрузки.

Цели. Анализ различных архитектур вычислительных систем (ВС), использовавшихся в последние десятилетия, позволил выделить наиболее распространенные структуры. Одной из ключевых особенностей является использование серийно производимого оборудования для создания подсистем обработки данных (например, многоядерные процессоры и полупроводниковая память большой емкости) и сетевого оборудования для построения коммуникационных подсистем. Это снижает затраты на оборудование и позволяет создавать типовые или кластерные конфигурации, что особенно важно для дорогостоящих ВС. Стремление достичь высокой вычислительной скорости и производительности в таких ВС требует минимизации времени на выполнение задачи и балансировки временных задержек как в подсистемах обработки данных, так и в коммуникационной подсистеме, обеспечивающей передачу данных внутри ВС. Целью работы является анализ вычислительных модулей (ВМ) и структур, на основе которых проводится построение кластерных ВС.

Методы. Основные результаты работы получены с использованием методов математического анализа и моделирования.

Результаты. Рассмотрена структура современных многоядерных микропроцессоров (МП), являющихся основой построения ВМ кластерных ВС. По мере увеличения числа ядер в структуре МП усложняется коммуникационная сеть, объединяющая их в единую структуру. Показано, что в новых разработках МП коммуникация между ядрами выполняется в виде сети, а сами МП представляют собой MIMD-структуры (множественный поток команд, множественный поток данных) в соответствии с известной классификацией Флинна.

Выводы. Предложенная методика выбора эффективной структуры ВС позволяет получить оптимальную структуру ВС по критерию быстродействия.

Цели. Цель работы – разработка аналитических методов оценки вероятностно-временных характеристик и производительности оптоволоконной FDDI-сети (fiber distributed data interface) с маркерным методом доступа, позволяющих автоматизировать процессы передачи сообщений для цифровых электроподстанций.

Методы. Использованы методы теории надежности, теории случайных процессов и теории массового обслуживания, преобразование Лапласа – Стилтьеса для вывода функциональных уравнений.

Результаты. Проведено численное исследование процессов передачи пакетов между электрическими цифровыми подстанциями (ЦПС) в оптоволоконной сети FDDI. Рассмотрены процессы обмена дискретной информацией между электронными устройствами в системе электрических ЦПС, включая основные технологические операции, выполняемые персоналом системы ЦПС при подготовке отчетов, характеризующих различные режимы работы как отдельных ЦПС, так и всей системы в целом. Получены зависимости загрузки узлов, производительности FDDI-сети и временных характеристик процессов передачи пакетов от интенсивности входных потоков сообщений и надежности передающей среды. Проведен анализ функционирования FDDI-сетей, построенных на основе двух оптоволоконных колец, которые образуют основной и резервный пути передачи данных между узлами сети, что значительно повышает отказоустойчивость таких сетей. Задача исследования включала анализ процессов передачи информации в сетях FDDI с акцентом на обеспечение надежности передающей среды.

Выводы. Выявлено, что существует критическая область функционирования сети, при достижении которой наблюдается резкое увеличение загрузки узлов и временных характеристик, в то время как производительность достигает максимального значения и затем резко снижается. Предложено осуществлять обмен дискретными сообщениями, отражающими состояние электронных устройств, и информационными сообщениями персонала между различными дистанционно разнесенными ЦПС с использованием оптоволоконной сети FDDI.

Цели. Основной целью исследования является разработка модели управления инцидентами информационной безопасности на предприятии, минимизирующей ущерб и затраты на устранение инцидентов в условиях ограниченных ресурсов и времени.

Методы. В работе проведен анализ существующих подходов к управлению инцидентами информационной безопасности, включая математические и имитационные модели, стохастические дифференциальные уравнения, цепи Маркова и другие методы. Основанием для работы послужил системный подход, который включает в себя всесторонний анализ параметров инцидентов, действий по их устранению, времени реакции, а также ущерба от реализации инцидентов и вероятности успешного их устранения. Для проверки работоспособности разработанной модели использовались синтетические данные, которые отражают разнообразные типы инцидентов и возможные пути их ликвидации.

Результаты. Предложенная модель управления инцидентами позволяет оптимизировать управление инцидентами за счет минимизации ущерба и затрат. В рамках модели учитываются такие параметры, как критичность инцидентов, доступные ресурсы, время реакции и вероятность успешного устранения инцидентов. Апробация модели на синтетических данных показала, что предложенный подход существенно улучшает выбор оптимальных действий для реагирования на инциденты в ситуациях ограничений бюджета и времени, что в свою очередь повышает общую эффективность управления инцидентами.

Выводы. Внедрение предложенной модели на предприятиях позволит повысить общий уровень информационной безопасности, эффективность реагирования на инциденты и улучшить процессы защиты информации. Это обеспечит минимизацию рисков, связанных с утечками данных и другими инцидентами, и поможет предприятиям принимать обоснованные и оперативные решения в условиях ограниченных ресурсов и времени.

Цели. Основными целями цифровой обработки изображений являются повышение их четкости при сохранении качества изображения и устранение шумов. Однако объемы информации, содержащейся в файлах цифровых изображений, растут из года в год. Это обстоятельство негативно сказывается на времени их обработки, что критично для систем с высокими требованиями к нагрузке на вычислительную платформу. В связи с этим актуальным становится применение цифровых фильтров, позволяющих сократить время обработки поступающих данных. Для решения этой задачи разрабатываются адаптивные фильтры с различными размерами многоэлементной апертуры обработки, которые позволяют повысить четкость и сохранить детали изображения. Фильтры с адаптивными свойствами способны изменять свои параметры в процессе обработки данных, обеспечивая максимальное быстродействие при увеличении размеров апертуры. Целью работы является разработка рекурсивно-сепарабельного цифрового фильтра с изменяемыми размерами сканирующей многоэлементной апертуры, позволяющего сократить количество вычислительных операций при сохранении эффективности фильтрации входных данных (изображений).

Методы. В работе использовались рекурсивно-сепарабельные методы и алгоритмы построения цифровых фильтров.

Результаты. Описан алгоритм рекурсивно-сепарабельной реализации цифрового фильтра, а также представлен итоговый вид апертуры обработки и ее трехмерный вид. Для оценки быстродействия фильтра проведено сравнение разработанного алгоритма с алгоритмом классической двумерной свертки. Эксперимент проводился с использованием изображений различных размеров и заключался в определении времени, затраченного на процесс обработки тестового изображения. Установлено, что время обработки тестового изображения с применением разработанного фильтра в среднем в 5 раз меньше, чем время, затрачиваемое алгоритмом классической двумерной свертки. Определены оптимальные коэффициенты увеличения центрального элемента и поднятия положительной части апертуры цифрового фильтра, позволяющие повысить эффективность его применения.

Выводы. Проведенные исследования показывают эффективность использования разработанного рекурсивно-сепарабельного двумерного фильтра для повышения четкости изображений и уменьшения затрачиваемого на обработку времени.

Цели. При измерении экваториального эффекта Керра в тонкопленочных структурах большое влияние на полученный результат оказывают интерференционные эффекты. В выступлениях на конференциях некоторые исследователи сообщали об использовании белого света в экспериментах. На их взгляд, хотя толщина исследуемых слоев была много меньше длины волны света, белый свет может помочь избежать интерференционных эффектов и/или резонансного возбуждения плазмонных волн. Цель статьи – путем моделирования проверить обоснованность таких утверждений.

Методы. Для решения обозначенной задачи применялся метод компьютерного моделирования – численного решения уравнений, составленных для модельной структуры при различных толщине и материалах слоев.

Результаты. Результаты моделирования показывают, что интерференционные эффекты в разных частях спектра при использовании источников белого света не нейтрализуют друг друга, и на величину эффекта влияет не только толщина слоев структуры, но и форма спектра излучения источника, а также кривая чувствительности фотоприемника. При этом выход измеряемой величины эффекта на плато при относительно большой толщине магнитооптической пленки обуславливается тем, что при этом свет поглощается в толще магнитооптической пленки и обратное отражение света от подложки пренебрежимо мало.

Выводы. Представленная методика позволяет учитывать влияние интерференционных эффектов при измерении экваториального эффекта Керра в белом свете или с использованием других источников с широким спектральным диапазоном и более качественно интерпретировать экспериментальные результаты, что может быть весьма полезным для разработки и исследования физических основ создания новых и совершенствования существующих приборов, изделий микро- и наноэлектроники, твердотельной электроники, а также квантовых устройств, включая оптоэлектронные приборы и преобразователи физических величин.

Цели. Цель работы – теоретическое и экспериментальное исследование углового спектра отражения линейно поляризованных электромагнитных волн от многослойного периодического зеркала на прозрачной подложке, вывод точных аналитических выражений для коэффициентов отражения и прохождения, обобщающих случаи падения плоских ТЕ-(transverse electric) и ТМ-мод (transverse magnetic) на ограниченные периодические структуры со ступенчатым профилем показателя преломления.

Методы. Теоретический анализ задачи отражения основан на поиске точных аналитических решений в виде волн Флоке – Блоха, представленных в форме неоднородных волн, в области периодически структурированных сред. На основе того факта, что в ограниченном одномерном фотонном кристалле возможно существование одиночной волны Флоке – Блоха, предлагается искать точные решения волнового уравнения в виде линейной комбинации волн Флоке – Блоха, бегущих в разные стороны. Канонические формы рассматриваемых периодических структур позволяют достаточно просто осуществлять переход от случая ТЕ-поляризации к ТМ-типу в дисперсионных соотношениях и выражениях для углового спектра отражения.

Результаты. Рассмотрены случаи отражения линейно поляризованного излучения для следующих случаев: плоской границы двух диэлектриков, тонкой плоскопараллельной пластины и многослойного диэлектрического зеркала. Получены точные аналитические выражения для коэффициентов отражения и прохождения, обобщающие случаи падения волн ТЕ- и ТМ-поляризаций на ограниченный одномерный фотонный кристалл. Экспериментально измерен коэффициент пропускания плоской ТЕ-волны для многослойного диэлектрического зеркала, напыленного на тонкую стеклянную пластину.

Выводы. Получено количественное и качественное согласование экспериментальных измерений коэффициента пропускания плоской волны, падающей из полупространства на ограниченный фотонный кристалл с теоретическими вычислениями. Показано, что полученные выражения для коэффициента пропускания ограниченного одномерного фотонного кристалла определяются интерференцией волн Флоке – Блоха, представленных в форме неоднородных волн, и могут быть приведены к виду, аналогичному для величины коэффициента прохождения традиционного интерферометра Фабри – Перо. В случае ТМ-поляризации при выполнении условия Брюстера на межслойных границах волна Флоке – Блоха имеет вид однородных плоских волн в слоях фотонного кристалла.

Цели. В последние десятилетия в связи с созданием мощных излучателей энергии и их использованием в технологических операциях возросла актуальность исследований термической реакции твердых тел на температурное поле. Существует значительное количество публикаций, описывающих эти процессы математическими моделями динамической или квазистатической термоупругости, в основном для большинства технически важных материалов, подчиняющихся закону Гука. Однако при повышенных температурах и более высоком уровне напряжений понятие об упругом теле становится недостаточным: почти у всех материалов обнаруживается более или менее отчетливо явление вязкого течения. Реальное тело начинает проявлять упругие и вязкие свойства и становится вязкоупругим. Возникает достаточно сложная проблема – развитие динамической (квазистатической) термовязкоупругости в рамках соответствующих математических моделей классической прикладной термомеханики и математики. Цель работы – рассмотреть открытую проблему теории теплового удара в терминах обобщенной модели термовязкоупругости в условиях классической феноменологии Фурье о распространении теплоты в твердых телах. Рассматриваются три вида интенсивного нагрева: температурный, тепловой, нагрев средой. В равной мере могут быть рассмотрены режимы интенсивного охлаждения. Ставится задача: разработать модельные представления динамической (квазистатической) термовязкоупругости, допускающие точные аналитические решения соответствующих краевых задач на их основе. Указанное направление в научной литературе практически отсутствует.

Методы. Использованы методы и теоремы операционного исчисления.

Результаты. Развиты модельные представления термической реакции вязкоупругих тел с использованием предложенного нового уравнения совместности в перемещениях.

Выводы. Предложены новые интегро-дифференциальные соотношения на базе линейных реологических моделей для среды Максвелла и среды Кельвина, включающие одновременно динамические и квазистатические модели для вязкоупругих и упругих сред, обобщающие результаты предыдущих исследований. Предложенные определяющие соотношения новой формы применимы для описания термической реакции квазиупругих тел канонической формы одновременно в трех системах координат с определяющим систему параметром, что позволяет выявить влияние топологии области на величину соответствующих температурных напряжений.

Цели. Явления, которые в последнее время изучаются физикой конденсированного состояния, привели к новым взглядам на проблемы динамической теории кристаллов. Результаты многочисленных экспериментальных данных показывают, что их невозможно объяснить, оставаясь в рамках линейных моделей динамики многочастичных систем. Необходимо учитывать существенно нелинейные эффекты. Анализ динамики систем в физике конденсированного состояния, содержащих достаточно большое число частиц, показывает, что они могут, в зависимости от потенциала межчастичного взаимодействия, испытывать смену режимов движения. Это проявляется и в том, что в фазовом пространстве такой системы с числом степеней свободы N ≥ 1.5 при определенном наборе параметров межчастичного взаимодействия имеются области, в которых движение является по существу хаотическим. Однако не только динамическая модель оказывается сильно нелинейной. Подобный характер движения может проявляться и в статической нелинейной многочастичной системе. Цель работы – исследовать влияние внешнего поля, задаваемого межатомным трехъямным потенциалом, на равновесную структуру цепочки взаимодействующих атомов.

Методы. Использованы методы гамильтоновой механики.

Результаты. Получены и проанализированы аналитические выражения, определяющие фазовый портрет равновесной структуры цепочки взаимодействующих атомов при различных значениях параметра потенциала межчастичного взаимодействия, в котором движется каждый атом цепочки. Построены фазовые портреты равновесной структуры системы в континуальном и дискретном представлениях уравнений равновесия при различных значениях параметра, характеризующего межчастичный потенциал, в котором движется каждый атом цепочки.

Выводы. Показано, что в зависимости от величины внешнего поля реализуется как периодическое, так и случайное, хаотическое расположение атомов цепочки.

Цели. Значительная часть исследований в области глубокого обучения сосредоточена на изучении отображений между конечномерными пространствами. Гидродинамические процессы фильтрации газа в подземных хранилищах, описываемые дифференциальными уравнениями в частных производных (ДУЧП), требуют изучения отображений между функциональными пространствами бесконечной размерности, что отличает данную задачу от традиционных. Одним из перспективных подходов является построение нейронных операторов – обобщение нейронных сетей для аппроксимации отображений между функциональными пространствами. Цель работы – создание нейронного оператора для ускорения расчетов гидродинамического моделирования подземных хранилищ газа (ПХГ) при допустимых потерях точности.

Методы. В работе построен и обучен модифицированный нейронный оператор Фурье для гидродинамического моделирования процессов фильтрации газа в ПХГ.

Результаты. Показано, что данный метод может быть успешно применен для задач трехмерной фильтрации газа в декартовой системе координат на объектах с множеством скважин. Разработанная модель обеспечивает высокое качество при моделировании объектов с неравномерной сеткой дискретизации и сложной геометрией, несмотря на использование в архитектуре алгоритма быстрого преобразования Фурье. При этом нейронному оператору не требуется большой размер обучающей выборки для достижения высокой точности аппроксимации решений ДУЧП, что демонстрируется не только на тестовой выборке, но и на искусственно сгенерированных сценариях с внесением существенных изменений в структуру моделируемого объекта. Обученный нейронный оператор осуществляет моделирование заданного сценария за доли секунды, что, по меньшей мере, в 106 раз быстрее, чем традиционный численный симулятор.

Выводы. Построенный и обученный нейронный оператор показал хорошую эффективность в задаче гидродинамического моделирования ПХГ. Полученный алгоритм воспроизводит адекватные решения даже в случае существенных изменений в моделируемом объекте, которых не было в процессе обучения. Все это делает возможным применение данной модели в задачах планирования и принятия решений в отношении различных аспектов эксплуатации ПХГ, таких как оптимальное использование скважин, контроль давления и управление запасами газа.

Цели. Обеспечение научно-технологического суверенитета, определенное как одна из задач Концепции технологического развития на период до 2030 г., утвержденной Распоряжением Правительства Российской Федерации от 20 мая 2023 г. № 1315-р, предполагает использование эффективных механизмов управления экономикой страны. В современных условиях технологическое развитие экономики является императивом развития страны и ключевой составляющей научно-технологической безопасности. Цель работы – развитие существующих инструментальных методов анализа экономически значимой информации для мониторинга и диагностики научно-технологической безопасности на мезо- и макроуровне.

Методы. Использована авторская методика мониторинга и прогнозирования уровня научно-технологической безопасности на основе анализа динамики стоимости ценных бумаг компаний, включающая методы экономико-статистического анализа, инструменты машинного обучения и анализа временных рядов.

Результаты. Представлен авторский подход к совершенствованию механизмов обработки и анализа информации в ходе принятия управленческих решений. Для этого осуществлена разработка инструмента диагностики научно-технологической безопасности социально-экономической системы на основе экономико-математических методов обработки информации. Предложена методика интегральной оценки научно-технологической безопасности на макроуровне на основе анализа и прогнозирования стоимости ценных бумаг экономических агентов – системообразующих компаний. Научный результат – разработанная методика анализа биржевых индексов системообразующих предприятий, осуществляющих исследования и разработки для оценки и прогнозирования динамики научно-технологической безопасности на мезо- и макроуровне экономики. Для верификации методики проведен численный эксперимент с использованием статистических данных системообразующих компаний.

Выводы. Разработанная методика направлена на повышение точности и быстродействия управления в задачах обеспечения научно-технологической безопасности социально-экономических систем. Результаты эксперимента количественно подтверждают предположение о значительном вкладе системообразующих предприятий в обеспечение научно-технологической безопасности Российской Федерации.