ВведениеВ контексте развития киберфизических систем актуальной задачей становится автоматический мониторинг параметров открытой внешней среды и управление техническими процессами на основе полученной информации. Под открытой внешней средой понимается совокупность факторов, находящихся вне пределов непосредственно управляемой технической системы и обладающих свойством динамичности, неопределенности и нестационарности. К таким факторам относятся изменения окружающей среды, помехи, ошибки измерений и иные воздействия, которые способны повлиять на работоспособность киберфизических систем. Ключевым аспектом эффективного управления является разработка аналитических методов, которые позволяют не только обрабатывать данные мониторинга, но и формировать адаптивный контроль. В данной статье предлагается метод анализа данных мониторинга, который сочетает в себе нормализацию, прогнозирование с использованием рекуррентной нейронной сети (LSTM) и адаптивные алгоритмы управления. Обзор методов управления на основе анализа данных мониторингаСовременные системы управления активно применяют методы анализа данных мониторинга для формирования управляющих воздействий. В результате анализа публикаций, посвященных этой теме, было выявлено, что ключевой тенденцией является переход от традиционного мониторинга к прогнозной аналитике. Данный подход позволяет адаптировать управленческие решения в  различных  областях  –  от промышленности до экономики.В работе [1] В. В. Семенов рассматривает применение анализа временных рядов и ансамблевых моделей машинного обучения для повышения точности идентификации состояний систем. За счет предсказания возможных аномалий и адаптации системы управления к динамическим условиям достигается оптимизация управляющих воздействий.В работе [2] Д. А. Волков демонстрирует, как автоматизация анализа данных способствует оптимальному управлению экономическими рисками. Использование цифровых платформ позволяет адаптировать стратегию предприятия к рыночным изменениям в режиме реального времени.В статье [3] Д. Кононов и Е. Чибисова доказывают, что цифровые системы управления, основанные на анализе данных, позволяют оперативно реагировать на изменения внутренних и внешних факторов. Внедрение таких методов приводит к оптимизации процессов принятия решений и снижению затрат.В исследовании [4] L. Sun и соавторы предлагают использовать методы машинного обучения и управления на основе данных для мониторинга, оптимизации и диагностики энергосистем, что позволяет оперативно реагировать на неопределенности, в результате чего повышается устойчивость, безопасность и эффективность управления.Rath K. C в работе [5] рассматривает роль интернета вещей (IoT) в контексте Индустрии 4.0, предлагая его интеграцию с технологиями больших данных, искусственного интеллекта и робототехники для создания интеллектуальных фабрик и подключенных цепочек поставок. IoT позволяет собирать данные в реальном времени, оптимизировать производственные процессы, прогнозировать обслуживание и снижать издержки, что способствует росту эффективности и гибкости управления производством.Современные подходы к моделированию сложных динамических систем в статье [6] рассматривают A. Ghadami и B. I. Epureanu, предлагая интеграцию методов машинного обучения и теории динамических систем для преодоления проблем высокой размерности и хаотичности. Они подчеркивают потенциал data-driven и AI-ориентированных методов в улучшении прогнозирования и анализа, а также необходимость дальнейших разработок для расширения их применимости в науке и инженерии.В своей работе [7] M. Ammar рассматривает решения на базе программных платформ, интерактивных инструкций, электронных журналов, продвинутого SPC и аналитики данных, а также интеграцию умных материалов с IoT для повышения точности, выявления ошибок и повышения эффективности контроля качества в производстве.Таким образом, можно сделать вывод, что адаптация управления на основе анализа данных мониторинга является одним из важнейших направлений в современных исследованиях. Ключевая перспектива дальнейших исследований заключается в развитии методов адаптивного управления, основанных на интеллектуальном анализе данных мониторинга, что позволит создавать гибкие самонастраивающиеся системы управления в различных областях – от промышленности до социальной сферы. Метод анализа данных мониторинга для формирования управляющих воздействийПредлагаемый метод базируется на анализе данных, поступающих от сенсорных систем, и включает в себя следующие основные этапы (рис. 1); мониторинг параметров системы (рис. 2): включает сбор данных с датчиков, их передачу на сервер и сохранение в базе данных.   Рис. 1. Структурно-функциональная модель процесса управления киберфизической системой:КП – кибер-подсистема; ФП – физическая подсистема; УП – управляющая подсистема Fig. 1. Structural and functional model of the cyberphysical system management process: КП – cyber subsystem; ФП – physical subsystem; УП – control subsystem  Рис. 2. Мониторинг параметров системы Fig. 2. Monitoring of system parameters Анализ данных мониторинга (рис. 3): нормализация данных, применение архитектуры LSTM для предсказания будущих состояний системы на основе временных рядов, обратная нормализация, уведомление оператора, а также формирование управляющих воздействий.   Рис. 3. Метод анализа данных мониторинга для формирования управляющих воздействий Fig. 3. Method of monitoring data analysis for the formation of control actions  Управление на основе анализа: исполнение управляющих команд, оценка точности управления и адаптация управления.Мониторинг в киберфизических системах – это процесс непрерывного наблюдения за состоянием системы с использованием датчиков, сенсоров и других устройств, которые собирают данные о физических и вычислительных процессах. Эти данные передаются в системы анализа для принятия решенийв реальном времени. Мониторинг позволяет:– отслеживать текущее состояние системы;– выявлять отклонения от нормальной работы;– прогнозировать возможные сбои и аварии;– адаптировать производительность системы.Для расчета вероятности аномальных состояний данной модели используется формулагде P – вероятность аномального состояния; Zi – Z-оценка i-го параметра; X(t) – множество входных данных, содержащее показания всех датчиков в мо-мент времени t; D(t) – множество данных из базы в момент времени t.Z-оценка содержит в себе вектор входных данных и рассчитывается по формуле где μi – среднее значение параметра; σi – стандартное отклонение данных в этих же единицах.Для анализа данных мониторинга необходимов первую очередь привести их к унифицированному виду, используя метод MinMax Normalisation [8], определяемый следующим выражением:где Xnorm(t) – множество нормализованных с помощью метода MinMax Normalisation данных; Xmin, Xmax – минимальное и максимальное значение в данных.Результат работы нормализации на примере входных данных представлен в табл. 1.   Таблица 1Table 1Входные данные и их нормализованные значения за 10 днейInput data and their normalized values for 10 daysДеньТемператураX1, °CТемператураXnorm,1pH X2pH Xnorm,2КислородX3, мг/лКислород Xnorm,3122,10,296,90,338,10,64223,40,537,00,677,90,45324,00,648,20,73421,80,247,11,008,40,91520,50,007,00,678,30,82625,20,857,50,09726,01,006,90,337,40,00822,50,366,80,008,00,55921,30,158,51,001024,80,787,00,677,80,36  Нормализованные данные поступают на вход модели LSTM (рис. 4), работа которой описывается следующими уравнениями [9]:где входной шлюз it определяет, какую новую информацию добавить; забывающий шлюз ft определяет, какие старые данные удалить; выходной шлюз ot формирует выходной сигнал; ht–1 – скрытое состояние из прошлого шага; Ct – состояние ячейки памяти; W – обучаемые веса; σ – сигмоида, которая дает значения от 0 до 1; xt – вход в момент времени t; b – смещение;   – состояние новой ячейки памяти.    Рис. 4. LSTM-модель прогнозирования параметров [10]: А – LSTM-ячейка Fig. 4. LSTM model of parameter prediction [10]: А – LSTM cell  Рассмотрим данную модель на примере управления рыбным хозяйством.Система получает данные о состоянии водоема от датчиков:– температура воды X1, °C, допустимый диапазон 20 °C ≤ X1 ≤ 28 °C;– pH воды X2, допустимый диапазон 6,5 ≤ X2 ≤ 8,5;– растворенный кислород X3, мг/л, допустимый диапазон 6,0 ≤ X3 ≤ 8,5.В качестве исходных данных используются  100  значений временного ряда. Далее данные делятся в пропорции:– 75 % (75 точек) – обучающая выборка;– 25 % (25 точек) – тестовая выборка.Разделение выполняется таким образом, чтобы обучающая выборка содержала достаточное количество примеров для корректного выявления временных зависимостей.Модель состоит из следующих слоев (рис. 5):– входной слой принимает 3 входных параметра (температура, pH, кислород);– два LSTM-слоя, которые позволяют выявлять сложные временные зависимости;– полносвязный слой преобразует выход LSTM в 3 прогнозируемых параметра;– регрессионный слой используется для предсказания числовых значений. Рис. 5. Архитектура модели прогнозирования параметров воды Fig. 5. Architecture of the water parameter prediction model Модель использует 100 нейронов в первом LSTM-слое и 50 нейронов во втором, что повышает способность сети к обобщению данных.Модель обучается с использованием оптимизатора Adam, который является улучшенным градиентным спуском [11], и следующими параметрами:– количество эпох: 500;– мини-пакет: 10;– начальная скорость обучения: 0,001;– снижение скорости обучения каждые 100 эпох (в 2 раза);– порог градиента: 1 (ограничение градиента для предотвращения резких скачков).Эти параметры позволяют сбалансировать скорость и точность обучения, предотвращая переобучение. Результат работы прогноза представлен на рис. 6.  Рис. 6. Истинные значения параметров и результат прогноза LSTM Fig. 6. The true values of the parameters and the result of the LSTM forecast Модель получает нормализованные данные в виде последовательностей временных рядов. Сеть обучается минимизировать среднеквадратичную ошибку (MSE) между прогнозами и реальными значениями. По завершении обучения модель сохраняет веса, необходимые для предсказания новых значений.Для оценки качества работы предложенной модели используются метрики MAE (Mean Absolute Error) и MAPE (Mean Absolute Percentage Error) [12]:– MAE – средняя абсолютная ошибка. Эта  метрика показывает среднюю величину ошибки предсказания без учета направления отклонения. Низкие значения MAE свидетельствуют о высокой точности модели;– MAPE – средняя относительная процентная ошибка. MAPE выражает ошибку в процентах, что делает ее удобной для интерпретации в масштабах разных систем. Значения MAPE ниже 5 % (табл. 2) указывают на высокую точность предсказания. Таблица 2Table 2Результат расчета средней абсолютной ошибки (MAE) и средней относительной ошибки (MAPE)The result of calculating the mean absolute error (MAE) and the mean relational percentage error (MAPE)ПараметрСредняя абсолютная ошибка MAEСредняя относительная ошибка MAPE, %Температура X10,0360,15pH X2 0,00030,0034Кислород X30,0070,09  Чем ниже MAE и MAPE, тем выше точность модели. Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что модель является достаточно точной.На основе прогнозируемых данных выполняется сравнение с установленными пороговыми значениями, что позволяет адаптивно корректировать параметры системы. Метод управления на основе анализа данных мониторингаАлгоритм управления основывается на сравнении прогнозируемых и целевых параметров системы. Также система учитывает эмпирические правила управления. Пример этих правил:– если x1 > 28 °C, необходимо осуществлять охлаждение воды путем подкачки холодной воды;– если x1 < 20 °C, необходимо осуществлять циркуляцию воды через нагревательный элемент;– если x2 > 8,5, необходимо внесение в воду 10–12 % щелочного вещества от дозировки корма;– если x2 < 6,5, необходимо внесение в воду извести 20 % от массы внесенного за сутки до этого корма;– если x3 > 8,5, прекратить аэрацию;– если x3 < 6,0, увеличить аэрацию.Метод управления на основе анализа данных мониторинга представлен на рис. 7.  Рис. 7. Метод управления киберфизической системой на основе данных мониторинга Fig. 7. A method for managing a cyber-physical system based on monitoring data  Для адаптации управления необходимо рассчитать среднюю относительную ошибку, %: где Xreq – желаемые параметры; Xcur – текущие параметры.Критериями оценки MAPE являются следующие:– MAPE < 5 % – очень высокая точность, ошибки практически нет;– 5 % ≤ MAPE < 10 % – хорошая точность, небольшие отклонения;– 10 % ≤ MAPE < 20 % – средняя точность, могут быть заметные ошибки;– MAPE ≥ 20 % – плохая точность, требуется улучшение модели.В случае выхода за допустимые значения формируются управляющие воздействия, где U – текущие параметры управляющего воздействия [13]:1. U1 – охлаждение или нагрев воды. Величина U1 регулирует мощность работы системы подогрева или охлаждения:– положительное значение U1 → увеличение температуры воды;– отрицательное значение U1 → снижение температуры воды.2. U2 – коррекция уровня pH. Величина U2 определяет дозировку регуляторов кислотности или щелочности (например, добавление извести или кислоты):– положительное значение U2 → повышение pH (делает воду более щелочной);– отрицательное значение U2 → снижение pH (делает воду более кислой).3. U3 – аэрация воды (насыщение кислородом). Величина U3 задает интенсивность работы компрессоров и аэраторов:– положительное значение U3 → усиление подачи кислорода; – отрицательное значение U3 → снижение подачи кислорода (например, отключение аэрации).4. U4 – подача корма. Величина U4 определяет дозировку корма и является целевой функцией. Для правильного расчета производится адаптация управляющих воздействий U1, U2, U3.Адаптация параметров управления осуществляется посредством градиентного метода адаптивной корректировки [14]: где U* – новые параметры управляющего воздействия; α – скорость обучения; ∇E – знак градиента ошибки; k – коэффициент чувствительности (определяется эмпирически); σi – стандартное отклонение данных в этих же единицах; ε – малое число для предотвращения деления на ноль.Выбор градиентного метода обусловлен его эффективностью при оптимизации сложных многомерных функций, а также возможностью быстрой адаптации модели к изменяющимся условиям.Каждое управляющее воздействие связано с реальным устройством (нагреватель, дозатор pH, аэратор), которое имеет ограничения мощностии скорости регулирования:– U1 (охлаждение/нагрев) – изменение температуры воды зависит от мощности нагревателя/охладителя (например, 1 кВт снижает температуру на 1 °C за 10 мин);– U2 (коррекция pH) – изменение pH ограничено скоростью растворения химикатов (например, 10 мл реагента изменяют pH на 0,1 в 100 л воды);– U3 (аэрация) – подача кислорода регулируется компрессорами (1 л/мин увеличивает концентрацию O2 на 0,5 мг/л за 10 мин).Текущие значения управляющих воздействий:– U1 = 3,5 кВт – мощность нагревателя;– U2 = 1 мл/мин – дозировка щелочи;– U3 = 2,5 л/мин – производительность компрессора.В качестве примера рассматриваются показатели датчиков прудового хозяйства ООО «Прибой» (с. Новоникольское Быковского района Волгоградской обл.), которое насчитывает 7 прудов, а общая его площадь составляет 4 км2. Адаптированные значения управляющих воздействий представлены в табл. 3. Таблица 3Table 3Оценка отклонения и оптимального шага параметров системыEstimation of deviation and optimal step of system parametersПараметрЦелевоезначениеРеальноезначениеРазницаСтандартноеотклонение данныхОптимальный шагТемпература X122 °C27,2 °C+5,2 °C0,80,125 кВтpH  X27,27,6+0,40,2–0,5 мл/минКислород  X38,0 мг/л6,5 мг/л–1,5 мг/л1,10,091 л/мин  В результате адаптированные значения управляющих воздействий будут выглядеть следующим образом:U1 = 3,5 − 0,125 = 3,375 кВт;U2 = 1,0 + 0,5 = 1,5 мл/мин;U3 = 2,5 + 0,091 = 2,591 л/мин.Для передачи данных между модулями мониторинга и управления с модулем анализа и принятия решений используется технология LoRaWAN, которая позволяет передавать данные на расстояния до 10 км. Архитектура прототипа киберфизической системы показана на рис. 8.   Рис. 8. Архитектура прототипа киберфизической системы Fig. 8. Prototype architecture of the cyberphysical system  Эксперименты были проведены на предприятиях Волгоградской области, КФХ ИП Я. В. Лозина в поселке Волжанка Среднеахтубинского района и ООО «Прибой» с. Новоникольское Быковского района. Результаты экспериментов (табл. 4) показали, что применение предложенных концепций позволяет повысить точность управления системой на 86 % по сравнению с традиционными методами, снизить потребление ресурсов на 9 % и уменьшить время, затраченное на мониторинг, на 95 % (рис. 9).  Таблица 4Table 4Результат внедрения киберфизической системыPrototype architecture of the cyberphysical systemПараметрДо внедренияПосле внедренияРезультат, %Время, затраченное на мониторинг, мин201–95Количество аномальных состояний в месяц, шт213–86Расход кормовой базы, т0,950,86–9  Рис. 9. Временные затраты на выезд замера одного пруда Fig. 9. Time spent on measuring one pond  Разработанный метод анализа данных мониторинга может применяться не только в системах контроля рыбных хозяйств, но и в других сферах:– промышленная автоматизация: управление производственными процессами на основе мониторинга технологических параметров;– медицинская диагностика: прогнозирование изменений физиологических показателей пациентов;– интеллектуальные транспортные системы: адаптивное управление движением на основе анализа параметров трафика;– «умные» города: регулирование потребления энергии и воды на основе прогнозирования потребностей. ЗаключениеТаким образом, получены следующие новые научные результаты:1. Новый метод анализа данных мониторинга, отличающийся от существующих процедурой прогнозирования аномальных состояний киберфизических систем в режиме реального времени и механизмом формирования управляющих воздействий на основе эмпирических правил, что позволяет снизить временные затраты на анализ параметров киберфизических систем и вероятность критических состояний системы.2. Новый метод управления киберфизической системой на основе данных мониторинга, отличающийся адаптивным подходом к регулированию параметров системы с учетом прогнозируемых изменений внешней среды, что позволяет повысить точность управления в условиях открытой внешней среды и снизить затраты ресурсов и необходимость ручного вмешательства в процесс управления. Предложенный подход применим в различных киберфизических системах, включая системы экологического мониторинга, промышленные автоматизированные комплексы и интеллектуальные инфраструктуры.Программный продукт был внедрен и прошел испытания на предприятии ООО «Прибой» с. Новоникольское Быковского района Волгоградской области.В качестве перспективы дальнейших исследований следует выделить масштабирование данных методов в такие сферы, как промышленность, энергетика, здравоохранение.