CONSTRUCTION OF ANALYTICAL MODELS OF VARIOUS PHYSICAL AND CHEMICAL SYSTEMS BY METHODS OF DATA SCIENCE AND MATHEMATICAL PROTOTYPING OF ENERGY PROCESSES

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Background. Construction of mathematical models of systems of various physical and chemical nature is the most important stage in the development of methods for designing and operating the above-mentioned systems. Currently, there are Data Science methods dedicated to collecting and processing data with subsequent construction of mathematical models. To construct the above-mentioned models, it is necessary to specify their class. The main requirements for mathematical models of systems of various physical and chemical nature are their accuracy and adequacy (consistency with physical and chemical laws). To construct a class of mathematical models of the above-mentioned systems that satisfy the above-mentioned requirements, a method of mathematical prototyping of energy processes was proposed within the framework of mechanics, electrodynamics and modern non-equilibrium thermodynamics. In accordance with the above-mentioned method, complete mathematical models of various physical and chemical systems with an accuracy of up to experimentally studied constant coefficients can be obtained in the form of a system of differential equations. Then, the obtained complete models are transformed into simplified analytical models with an accuracy of up to constant coefficients, which are trained on experimental data. This work is devoted to the methodology of constructing models applicable for solving practical problems based on Data Science methods and the method of mathematical prototyping of energy processes. Matherials and methods. Synthesis in the form of differential equations of a complete model of the dynamics of physical and chemical processes is carried out on the basis of the method of mathematical prototyping of energy processes and methods of dynamic programming. Construction of simplified analytical models applicable to solving practical problems is carried out by means of a computational experiment based on a complete model with further application of methods of identification, symbolic regression, machine learning. Results. The proposed methodology allows to build accurate and adequate models applicable for solving practical problems within acceptable timeframes. Conclusions. The proposed methodology for constructing mathematical models can be used as the basis for a software and technology platform for digital twins that consumes acceptablecomputing resources.

Авторлар туралы

Igor Starostin

Moscow State Technical University of Civil Aviation

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: starostinigo@yandex.ru

Doctor of technical sciences, professor, professor of the sub-department of electrical engineering and aviation electrical equipment

(20 Kronshtadtskiy boulevard, Moscow, Russia)

Әдебиет тізімі

  1. Yurevich E.I. Osnovy proyektirovaniya tekhniki = Fundamentals of engineering design. Saint Petersburg: Sankt- Peterburgskiy gosudarstvennyy politekhnicheskiy universitet, 2012:135. (In Russ.)
  2. Barzilovich E.Yu. Modeli tekhnicheskogo obsluzhivaniya slozhnykh system = Models of maintenance of complex systems. Moscow: Vyssh. shk., 1982:231. (In Russ.)
  3. Kolodezhnyy L.P., Chernodarov A.V. Nadezhnost′ i tekhnicheskaya diagnostika = Reliability and technical diagnostics. Moscow: Izd-vo VVA im. prof. N.E. Zhukovskogo i Yu.A. Gagarina, 2010:452. (In Russ.)
  4. Bessekerskiy V.A., Popov E.P. Teoriya sistem avtomaticheskogo upravleniya = Theory of automatic control systems. Saint Petersburg: Professiya, 2003:768. (In Russ.)
  5. Cielen D., Meysman A.D.V., Mohamed A. Introdusing data science. Shelter Island, New York, USA: Manning Publications, 2017:336.
  6. Grus J. Data Science from Scratch. Beijing; Boston; Famham; Sebastopol; Tokyo: O’Relly, 2021:416.
  7. Antonov A.V. Sistemnyy analiz = System analysis. Moscow: Vyssh. shk., 2004:454. (In Russ.)
  8. Eykhoff P. Systems identification: parametrs and state estimation. Eindhoven, Netherlands: University of technology, 1975:680.
  9. Flach P. Machine Learning. The Art and Science of Algorithms that Make Sense of Data. Cambridge: Cambridge University Press, 2015:400.
  10. Strizhov V.V. Metody induktivnogo porozhdeniya regressionnykh modeley = Methods of inductive generation of regression models. Moscow: Vychislitel′nyy tsentr im. A.A. Dorodnitsyna RAN, 2008:56. (In Russ.)
  11. Starostin I.E., Stepankin A.G. Programmnaya realizatsiya metodov sovremennoy neravnovesnoy termodinamiki i sistema simulyatsii fiziko-khimicheskikh protsessov SimulationNonEqProcSS v.0.1.0. BoBassen = Software implementation of modern nonequilibrium thermodynamics methods and a system for simulating physico-chemical processes SimulationNonEqProcSS v.0.1.0. BoBassin. Mavrikiy: Lambert academic publishing, 2019:127. (In Russ.)
  12. Starostin I.E., Khalyutin S.P., Pariyevskiy V.V. Types and forms of representation of the basic equations of the method of mathematical prototyping of energy processes. Elektropitaniye = Power supply. 2022;(4):4–14. (In Russ.)
  13. Starostin I.E., Gavrilenkov S.I. Architecture of the mathematical core of digital twins of various physico-chemical systems based on the method of mathematical prototyping of energy processes. Nadezhnost′ i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2024;(4):160–168. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2024- 4-17
  14. Starostin I.E. Correct assignment of state functions for a dissipative matrix included in the equations of the method of mathematical prototyping of energy processes. Nadezhnost′ i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2025;(1):28–35. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2025-1-4
  15. Starostin I.E., Gavrilenkov S.I. Setting state functions for interaction potentials, reduced heat capacities and reduced thermal effects included in the equations of the method of mathematical prototyping of energy processes. Nadezhnost′ i kachestvo slozhnykh system = Reliability and quality of complex systems. 2025;(1):36–43. (In Russ.). doi: 10.21685/2307-4205-2025-1-5
  16. Starostin I.E. On the issue of applying symbolic regression methods to build a digital twin of various physicochemical systems based on the method of mathematical prototyping of energy processes. Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma Nadezhnost′ i kachestvo = Proceedings of the International Symposium Reliability and Quality. 2025;1:68–74. (In Russ.)
  17. Dzyadzyk V. K. Vvedeniye v teoriyu ravnomernogo priblizheniya funktsii polinomami = Introduction to the theory of uniform approximation of a function by polynomials. Moscow: Nauka, 1977:512. (In Russ.)
  18. Lantsov V.N. Metody ponizheniya poryadka modeley slozhnykh system = Methods of lowering the order of models of complex systems. Vladimir: Izd-vo VlGU, 2017:84. (In Russ.)
  19. Bruce P., Bruce A. Practical Statistics for Data Scientists. Beijing; Boston; Farnham; Sebastopol; Tokio: O’Relly, 2018:304.
  20. Garleo G. et al. Machine learning and the physical sciences. Reviews of Modern Physics. 2019;(91):045002. doi: 10.1103/RevModPhys.91.045002

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML


Creative Commons License
Бұл мақала лицензия бойынша қолжетімді Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».