All issues

При моделировании турбулентных течений в практических приложениях часто приходится проводить серии расчетов для тел близкой топологии. Например, тел, отличающихся формой обтекателя. Применение сверточных нейронных сетей позволяет сократить количество расчетов серии, восстановив часть из них по уже проведенным расчетам. В работе предлагается метод, позволяющий применить сверточную нейронную сеть независимо от способа построения вычислительной сетки. Для этого проводится переинтерполяция поля течения на равномерную сетку вместе с самим телом. Геометрия тела задается с помощью функции расстояния со знаком и маскирования. Восстановление поля течения на основании части расчетов для схожих геометрий проводится с помощью нейронной сети типа UNet с пространственным механизмом внимания. Разрешение пристенной области, являющееся критически важным условием при турбулентном моделировании, производится на основании уравнений, полученных в методе пристенной декомпозиции.

Демонстрация метода приводится для случая обтекания скругленной пластины турбулентным потоком воздуха с различным скруглением при фиксированных параметрах набегающего потока с числом Рейнольдса $Re = 10^5$ и числом Маха $M = 0,15$. Поскольку течения с такими параметрами набегающего потока можно считать несжимаемыми, исследуются непосредственно только компоненты скорости. Проводится сравнение полей течения, профилей скорости и трения на стенке, полученных суррогатной моделью и численно. Анализ проводится как на пластине, так и на скруглении. Результаты моделирования подтверждают перспективность предлагаемого подхода. В частности, было показано, что даже в случае использования модели на максимально допустимых границах ее применимости трение может быть получено с точностью до 90%. Также в работе проводится анализ построенной архитектуры нейронной сети. Полученная суррогатная модель сравнивается с альтернативными моделями, построенными на основании вариационного автоэнкодера или метода главных компонент с использованием радиальных базисных функций. На основании этого сравнения демонстрируются преимущества предложенного метода.

When modeling turbulent flows in practical applications, it is often necessary to carry out a series of calculations of bodies of similar topology. For example, bodies that differ in the shape of the fairing. The use of convolutional neural networks allows to reduce the number of calculations in a series, restoring some of them based on calculations already performed. The paper proposes a method that allows to apply a convolutional neural network regardless of the method of constructing a computational mesh. To do this, the flow field is reinterpolated to a uniform mesh along with the body itself. The geometry of the body is set using the signed distance function and masking. The restoration of the flow field based on part of the calculations for similar geometries is carried out using a neural network of the UNet type with a spatial attention mechanism. The resolution of the nearwall region, which is a critical condition for turbulent modeling, is based on the equations obtained in the nearwall domain decomposition method.

A demonstration of the method is given for the case of a flow around a rounded plate by a turbulent air flow with different rounding at fixed parameters of the incoming flow with the Reynolds number $Re = 10^5$ and the Mach number $M = 0.15$. Since flows with such parameters of the incoming flow can be considered incompressible, only the velocity components are studied directly. The flow fields, velocity and friction profiles obtained by the surrogate model and numerically are compared. The analysis is carried out both on the plate and on the rounding. The simulation results confirm the prospects of the proposed approach. In particular, it was shown that even if the model is used at the maximum permissible limits of its applicability, friction can be obtained with an accuracy of up to 90%. The work also analyzes the constructed architecture of the neural network. The obtained surrogate model is compared with alternative models based on a variational autoencoder or the principal component analysis using radial basis functions. Based on this comparison, the advantages of the proposed method are demonstrated.

В работе исследуется дискретная модификация модели А.П. Михайлова «власть – общество», ранее предложенная автором. Эта модификация основана на стохастическом клеточном автомате, то есть имеет микродинамику, принципиально отличную от базовой непрерывной, основанной на дифференциальных уравнениях модели. При этом макродинамика дискретной модификации, как показано в предыдущих работах, совпадает с макродинамикой исходной модели. Этот важный результат, однако, вызывает вопрос, в чем смысл использования дискретной модели. Ее главной особенностью является гибкость, позволяющая добавлять в рассмотрение самые разные факторы, учет которых в непрерывной модели либо приводит к существенному росту вычислительной сложности, либо в принципе невозможен.

В данной работе рассматриваются несколько примеров подобного расширения области применимости модели, при помощи которого решается ряд прикладных задач.

Одна из модификаций модели учитывает экономические связи между регионами и муниципалитетами, что не могло быть исследовано в базовой модели. Вычислительные эксперименты подтвердили улучшение социально-экономических показателей системы при наличии таких связей.

Вторая модификация включает в себя возможность внутренней миграции в системе. С ее помощью был получен ряд результатов, связанных с социально-экономическим развитием более благополучного региона, притягивающего мигрантов.

Кроме этого, была исследована динамика системы при изменении количества регионов и муниципалитетов в системе. Показано негативное влияние этого процесса на социально-экономические показатели системы и найдено возможное управление, имеющее целью преодоление этого негативного влияния.

Результатами данного исследования, таким образом, явились как решение отдельных прикладных задач, так и демонстрация на их примере более широких возможностей дискретной модели по сравнению с базовой непрерывной.

The paper considers an earlier proposed by the author discrete modification of the A. P. Mikhailov “power – society” model. The modification is based on a stochastic cellular automaton, it’s microdynamics being completely different from the c continuous model based on differential equations. However, the macrodynamics of the discrete modification is shown in previous works to be equivalent to one of the continuous model. This is important, but at the same time raises the question why use the discrete model. The answer lies in its flexibility, which allows adding a variety of factors, the consideration of which in a continuous model either leads to a significant increase in computational complexity or is simply impossible.

This paper considers several examples of such applicability expansion of the model, with the help of which a number of applied problems are solved.

One of the modifications of the model takes into account economic ties between regions and municipalities, which could not be studied in the basic model. Computational experiments confirmed the improvement of the socio-economic indicators of the system under the influence of the ties.

The second modification allows internal migration in the system. Using it we studied the socio-economic development of a more prosperous region that attracts migrants.

Next we studied the dynamics of the system while the number of regions and municipalities changes. The negative impact of this process on the socio-economic indicators of the system was shown and possible control was found to overcome this negative impact.

The results of this study, therefore, include both the solution of some applied problems and the demonstration of the broader applicability of the discrete model compared with the continuous one.

Сердечно-сосудистые заболевания на протяжении последних десятилетий представляют собой серьезную угрозу здоровью населения во всем мире, независимо от уровня развития страны. Ранняя диагностика и постоянный медицинский контроль могли бы значительно снизить смертность от этих заболеваний. Однако существующие системы здравоохранения зачастую не в состоянии обеспечить необходимый уровень мониторинга пациентов из-за ограниченных ресурсов.

В рамках нашего исследования мы использовали метод SHAP для объяснения работы модели глубокого обучения Bi-LSTM+CNN, разработанной для прогнозирования сердечно-сосудистых заболеваний. Путем балансировки данных и применения кросс-валидации мы достигли высокой точности (99,05%), полноты (99%) и F1-меры (99%) модели. Интерпретируемость модели, обеспечиваемая методом SHAP, повышает доверие медицинских специалистов к полученным результатам и способствует более широкому внедрению искусственного интеллекта в клиническую практику.

During the last several decades, cardiovascular disease has surpassed all others as the leading cause of mortality in both high-income and low-income countries. The mortality rate from heart disorders may be lowered with early identification and close clinical monitoring. However, it is not feasible to adequately monitor patients every day, and 24-hour consultation with a doctor is not a feasible option, since it requires more sagacity, time, and knowledge than is currently available.

In this study, we examine the Explainable Artificial Intelligence (XAI) technique, namely, the SHAP interpretability approach, in order to educate the medical professionals about the Explainable AI (XAI) methods that can be helpful in healthcare. The XAI methods enhance the trust and understandability of both practitioners and Health Researchers in AI Models. In this work, we propose a composite Deep Learning model: Bi-LSTM+CNN model to effectively predict heart disease from patient data. After balancing the dataset, the Bi-LSTM+CNN model was used. In contrast to other studies, our proposed hybrid deep learning model produced excellent experimental results, including 99.05% accuracy, 99% precision, 99% recall, and 99% F1-score.

В работе рассмотрены проблемы математического описания деонтологических аспектов, влияющих на поведение ЛПР (лиц, принимающих решения). Предложена методология соотнесения утилитарных (материальных) и деонтологических (ценностных) аспектов при принятии ими решений с учетом их психологических особенностей. Предложена математическая модель совместного учета утилитарных и деонтологических факторов при принятии ЛПР решений в различных ситуациях. Выявлены некоторые закономерности, связанные с этим учетом, приведено их формальное описание. Модель показывает, что существует тенденция постепенного снижения уровня деонтологичности в оценке альтернатив при принятии решений (по сравнению с тем, к чему склоняет внешний мир) к большей утилитарности. Эта тенденция с течением времени начинает влиять на общественное мнение и на отношение общества к моральным нормам, постепенно снижая общий уровень моральности в обществе. Остановить этот процесс можно только путем постоянного и целенаправленного поддержания обществом и государством высокого уровня деонтологичности (идеологическая работа, пропаганда традиционных ценностей, воспитательная работа в школе и т. п.), в противном случае общество с неизбежностью со временем станет утилитарным, ориентирующимся при принятии решений исключительно на материальные факторы.

В дальнейшем планируется использовать разработанный инструментарий для анализа конкретных ситуаций, в том числе для анализа закономерностей цивилизационных циклов: взлета и падения Римской империи, СССР, современной западной цивилизации.

The paper considers the problems of mathematical description of deontological aspects influencing the behavior of decision makers. A methodology is proposed for correlating utilitarian (material) and deontological (value) aspects in their decision-making, taking into account their psychological characteristics. A mathematical model is proposed for the joint consideration of utilitarian and deontological factors in decision-making in various situations. Some patterns related to this consideration are identified, and their formal description is given. The model shows that there is a tendency for a gradual decrease in the level of deontology in evaluating alternatives when making decisions (compared to what the outside world inclines to) towards greater utilitarianism. Over time, this trend begins to influence public opinion and society’s attitude to moral norms, gradually reducing the overall level of morality in society. This process can be stopped only by constantly and purposefully maintaining a high level of deontology by society and the state (ideological work, promotion of traditional values, educational work at school, etc.), otherwise society will inevitably become utilitarian over time, focusing exclusively on material factors when making decisions.

In the future, it is planned to use the developed tools for analyzing specific situations, including for analyzing the patterns of civilizational cycles: the rise and fall of the Roman Empire, the USSR, and modern Western civilization).

Рассматривается пространственно-временная модель тритрофической системы, описывающая взаимодействие жертвы, хищника и суперхищника в среде с неоднородным распределением ресурса. Учитываются всеядность суперхищника (Intraguild Predation, IGP), диффузия и направленная миграция (таксис), который моделируется с помощью логарифмической функции от ресурса и плотности жертвы. Основное внимание уделено анализу мультистабильности системы и роли косимметрии в формировании континуальных семейств стационарных решений. С использованием численно-аналитического подхода изучаются пространственно-однородные и неоднородные стационарные решения. Установлено, что при выполнении дополнительных соотношений между параметрами, характеризующими локальное взаимодействие хищников, и коэффициентами диффузии система обладает косимметрией, что приводит к возникновению семейства устойчивых стационарных решений, пропорциональных функции ресурса. Показано, что косимметрия не зависит от функции ресурса в случае неоднородной среды. Проведено исследование устойчивости стационарных распределений с помощью спектрального метода. Нарушение условий косимметрии приводит к разрушению семейства и появлению изолированных стационарных состояний, а также к длительным переходным процессам, отражающим память системы об исчезнувшем семействе. В зависимости от начальных условий и параметров в системе реализуются переходы к режимам с одним хищником (выживание хищника или суперхищника) или к сосуществованию хищников. Численные эксперименты на основе метода прямых (разностная схема по пространственной переменной и метод Рунге – Кутты для интегрирования по времени) подтверждают мультистабильность системы и иллюстрируют исчезновение семейства решений при разрушении косимметрии.

We consider a spatiotemporal model of a tritrophic system describing the interaction between prey, predator, and superpredator in an environment with nonuniform resource distribution. The model incorporates superpredator omnivory (Intraguild Predation, IGP), diffusion, and directed migration (taxis), the latter modeled using a logarithmic function of resource availability and prey density. The primary focus is on analyzing the multistability of the system and the role of cosymmetry in the formation of continuous families of steady-state solutions. Using a numerical-analytical approach, we study both spatially homogeneous and inhomogeneous steady-state solutions. It is established that under additional relations between the parameters governing local predator interactions and diffusion coefficients, the system exhibits cosymmetry, leading to the emergence of a family of stable steady-state solutions proportional to the resource function. We demonstrate that the cosymmetry is independent of the resource function in the case of a heterogeneous environment. The stability of stationary distributions is investigated using spectral methods. Violation of the cosymmetry conditions results in the breakdown of the solution family and the emergence of isolated equilibria, as well as prolonged transient dynamics reflecting the system’s “memory” of the vanished states. Depending on initial conditions and parameters, the system exhibits transitions to single-predator regimes (survival of either the predator or superpredator) or predator coexistence. Numerical experiments based on the method of lines, which involves finite difference discretization in space and Runge –Kutta integration in time, confirm the system’s multistability and illustrate the disappearance of solution families when cosymmetry is broken.

Представлена математическая модель, описывающая динамику инфекции ВИЧ-1 в отдельно взятом лимфоузле в начальный период развития инфекции. В рамках модели инфицирование индивидуума задается неотрицательной финитной функцией, описывающей скорость поступления первоначальных вирусных частиц в лимфоузел. Уравнения модели построены с учетом следующих факторов: 1) взаимодействие вирусных частиц с наивными Т-лимфоцитами CD4+, находящимися в различных фазах клеточного цикла; 2) контактное взаимодействие между размножающимися наивными Т-лимфоцитами CD4+ и инфицированными Т-лимфоцитами CD4+, производящими вирусные частицы. Спецификой контактных межклеточных взаимодействий является образование комплексов, состоящих из пар указанных клеток. Длительности существования комплексов задаются функциями распределения на конечных промежутках времени. Модель записана в форме высокоразмерной системы нелинейных дифференциальных уравнений с запаздыванием, включая два уравнения с распределенным запаздыванием, и дополнена неотрицательными начальными данными. При отсутствии инфекции ВИЧ-1 модель сводится к четырем дифференциальным уравнениям с запаздыванием, описывающим численность наивных Т-лимфоцитов CD4+ в различных фазах клеточного цикла. Показана глобальная разрешимость модели (существование и единственность решения на полуоси) и установлена неотрицательность компонент решения. Для проведения вычислительных экспериментов с моделью разработан алгоритм численного решения используемой системы дифференциальных уравнений на основе полунеявной схемы Эйлера для случая равномерного распределения длительностей существования комплексов. Представлены результаты вычислительных экспериментов, направленных на приближение численного решения модели к описанию кинетики развития инфекции ВИЧ-1 в ее острой фазе, включая фазу эклипса. В качестве наблюдаемой использована переменная, описывающая количество вирусных частиц на один миллилитр крови на 10–12-е сутки после начала острой инфекции. Численно исследована динамика наблюдаемой переменной в зависимости от вариации параметров модели, отражающих закономерности формирования комплексов и образования клеток, производящих вирусные частицы. Показана возможность затухания инфекции ВИЧ-1 в лимфоузле при определенных значениях некоторых из параметров модели.

A mathematical model describing the dynamics of HIV-1 infection in a single lymph node during the initial period of infection development is presented. Within the framework of the model, the infection of an individual is set by a nonnegative finite function describing the rate of entry of the initial viral particles into the lymph node. The equations of the model are derived with consideration of two factors: 1) the interaction of viral particles with naive CD4+ T lymphocytes in various phases of the cell cycle; 2) contact interaction between multiplying naive CD4+ T lymphocytes and infected CD4+ T lymphocytes producing viral particles. The specific feature of intercellular contact interactions is the formation of complexes consisting of pairs of these cells. The duration of the complexes’ existence is determined by the distribution functions over finite time intervals. The model is presented as a high-dimensional system of nonlinear delay differential equations, including two equations with distributed delay, and is supplemented with non-negative initial data. In the absence of HIV-1 infection, the model is reduced to four delay differential equations describing the number of naive CD4+ T-lymphocytes in different phases of the cell cycle. The global solvability of the model (the existence and uniqueness of the solution on the semi-axis) is determined, and the non-negativity of the solution components is established. To carry out computational experiments with the model, an algorithm for numerically solving the used system of differential equations are developed based on the semi-implicit Euler scheme for the case of uniform distribution of durations of the complexes existence. The results of computational experiments aimed at approximation the numerical solution of the model to describing the kinetics of HIV-1 infection spread in its acute phase, including the eclipse phase, are presented. The variable used as the observable is the variable describing the number of viral particles per milliliter of blood on days 10–12 after the onset of acute infection. The dynamics of the observable variable is numerically studied depending on the variation of the model parameters reflecting the patterns of complex formation and the formation of cells producing viral particles. The possibility of attenuation of HIV-1 infection in the lymph node at certain values of some of the model parameters is shown.

Для трехосной стабилизации космического аппарата (КА) в орбитальной системе координат, в том числе в непрямом положении равновесия, применяется электродинамический метод управления, основанный на одновременном использовании двух управляющих моментов, оказывающих влияние на динамику вращательного движения космического аппарата в магнитном поле Земли (МПЗ), а именно лоренцева момента и момента магнитного взаимодействия. Предполагается, что КА, оснащенный электрическим зарядом с управляемым вектором статического момента заряда первого порядка и управляемым собственным магнитным моментом, движется по кеплеровой круговой околоземной орбите произвольного наклонения. Ранее было показано, что объединение двух систем управления — магнитной и лоренцевой — в единую электродинамическую систему управления (ЭДСУ) позволяет успешно решать различные задачи управления угловым движением КА. В отличие от многих известных исследований, выполненных для той или иной приближенной модели МПЗ, в данной работе не накладывается ограничений на точность аппроксимации МПЗ. Ранее выполненные исследования показали ограниченность возможностей ЭДСУ для КА, движущихся по орбитам, близким по наклонению к полярным, в силу наличия в этом случае таких точек на траектории КА, в которых возможно совпадение линий действия вектора геомагнитной индукции и вектора скорости КА относительно МПЗ. Поэтому в данной работе ставится и решается задача преодоления отмеченных трудностей. Предложена модификация ЭДСУ, основанная, во-первых, на оптимизации управления угловым движением КА и, во-вторых, на ограничении максимальной величины модуля вектора центра заряда относительно центра масс КА, который необходимо создавать в процессе управления. Рекомендован способ выбора параметров для модифицированной ЭДСУ. Приведенные результаты численных экспериментов для КА, находящихся на полярной и приполярных орбитах, не только демонстрируют работоспособность предложенной модификации ЭДСУ, но и свидетельствуют о возможности технической реализации модифицированного электродинамического метода трехосной стабилизации КА.

For the three-axis stabilization of the spacecraft in the orbital coordinate system, including in the indirect equilibrium position, an electrodynamic control method is used based on the simultaneous use of two control torques that affect the dynamics of the spacecraft’s rotational motion in the Earth’s magnetic field (EMF), namely, the Lorentz torque and the torque of magnetic interaction. It is assumed that the spacecraft, equipped with an electric charge with a controlled vector of static moment of charge of the first order and a controlled intrinsic magnetic moment, moves in a Keplerian circular Earth orbit of arbitrary inclination. It was previously shown that combining two control systems, magnetic and Lorentz control, into a single electrodynamic control system (EDCS) makes it possible to successfully solve various problems of controlling the angular motion of spacecraft. Unlike many well-known studies performed for one or another approximate EMF model, this work does not impose restrictions on the accuracy of the EMF approximation. Previous studies have shown the limited capabilities of the EDCS for spacecraft moving in orbits close to the polar ones, due to the presence in this case of such points on the spacecraft trajectory in which it is possible for the lines of action of the geomagnetic induction vector and the spacecraft velocity vector relative to the EMF. Therefore, in this paper, the problem of overcoming these difficulties is posed and solved. A modification of the EDCS is proposed, based, firstly, on optimizing the control of the angular motion of the spacecraft and, secondly, on limiting the maximum value of the modulus of the vector of the center of charge relative to the center of mass of the spacecraft, which must be created during control. A method for selecting parameters for a modified EMF is recommended. The presented results of numerical experiments for spacecraft located in polar and circumpolar orbits not only demonstrate the operability of the proposed modification of the EDCS, but also indicate the possibility of technical implementation of the modified electrodynamic method of three-axis spacecraft stabilization.

В работе экспериментально исследовалось среднее время между элементарными прыжками доходности различных акций на российском фондовом рынке. Исходя из скейлинга плотности распределения доходностей на разных временных масштабах, удалось показать, что элементарным прыжком в модели случайных блужданий для доходностей финансовых инструментов является единичное изменение цены (тик), соответствующее совершению одной сделки с инструментом на фондовой бирже.

In this paper average times between elementary jumps of stock returns on the Russian market were experimentally studied. Considering the scaling of the probability density function of stock returns on different time intervals it is shown that an elementary jump in the random walks scheme for financial instrument returns is a unit price change (tick) that corresponds to a single deal on the stock market.

Вопрос взаимодействия определенного рецептора с лигандами является ключевым в области клеточной сигнализации, но решается он на молекулярном уровне. Для улучшения понимания молекулярных механизмов взаимодействия серотонинового рецептора с лигандами были применены различные биофизические методы компьютерного моделирования. Модель трехмерной структуры надмембранного домена серотонинового 5-HT3 рецептора человека была построена по гомологии с никотиновым ацетилхолиновым рецептором nAChR (PDB ID: 2BG9). Методом докинга были получены комплексы 5-HT3 рецептора с лигандами. Методом молекулярной динамики исследовано взаимодействие серотонинового 5-HT3 рецептора с лигандами и показана роль различных факторов в стабилизации комплексов.

The problem of ligand binding to certain receptor proteins is of central importance in cellular signaling, but it is still unresolved at a molecular level. In order to enhance our understanding of the molecular mechanisms we used a biophysical approach to study a serotonin-gated ion channel. The molecular model of 5-HT3 receptor extracellular domain was created using computer-based homology modeling. The docking method was used for building complexes of the 5-HT3 receptor and ligands. Some different activities were investigated by the method of molecular dynamics.

Рассматривается модель распространения по ареалу конкурирующих за единый ресурс близкородственных популяций, записываемая в виде системы уравнений параболического типа. Анализируется случай переменной диффузии с миграционными потоками, зависящими от неравномерности распределения популяций и ресурсов. На основе метода прямых исследовано влияние миграции на формирование распределений популяций, изучены сценарии локального вытеснения и сосуществования видов. Найдены условия на параметры системы, при которых возникает непрерывное косимметричное семейство равновесий.

We consider a model of populations that are closely related and share a common areal. System of nonlinear parabolic equations is formulated that incorporates nonlinear diffusion and migration flows induced by nonuniform densities of population and carrying capacity. We employ the method of lines and study the impact of migration on scenarios of local competition and coexistence of species. Conditions on system parameters are determined when a nontrivial family of steady states is formed.