<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="1.3" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xml:lang="ru"><front><journal-meta><journal-id journal-id-type="publisher-id">btps</journal-id><journal-title-group><journal-title xml:lang="ru">Безопасность техногенных и природных систем</journal-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Safety of Technogenic and Natural Systems</trans-title></trans-title-group></journal-title-group><issn pub-type="epub">2541-9129</issn><publisher><publisher-name>Don State Technical University</publisher-name></publisher></journal-meta><article-meta><article-id pub-id-type="doi">10.23947/2541-9129-2024-8-2-68-77</article-id><article-id custom-type="edn" pub-id-type="custom">BMJTNE</article-id><article-id custom-type="elpub" pub-id-type="custom">btps-367</article-id><article-categories><subj-group subj-group-type="heading"><subject>Research Article</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="ru"><subject>МАШИНОСТРОЕНИЕ</subject></subj-group><subj-group subj-group-type="section-heading" xml:lang="en"><subject>MACHINE BUILDING</subject></subj-group></article-categories><title-group><article-title>Сравнительный анализ качества работы искусственных нейронных сетей для оценки технического состояния стального каната</article-title><trans-title-group xml:lang="en"><trans-title>Comparative Analysis of the Performance of Artificial Neural Networks in Assessing the Technical Condition of Steel Ropes</trans-title></trans-title-group></title-group><contrib-group><contrib contrib-type="author" corresp="yes"><contrib-id contrib-id-type="orcid">https://orcid.org/0000-0002-1246-4262</contrib-id><name-alternatives><name name-style="eastern" xml:lang="ru"><surname>Хван</surname><given-names>Р. В.</given-names></name><name name-style="western" xml:lang="en"><surname>Khvan</surname><given-names>R. V.</given-names></name></name-alternatives><bio xml:lang="ru"><p>Роман Владимирович Хван, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры эксплуатации транспортных систем и логистики</p><p>344003, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1</p><p><ext-link xlink:href="https://www.webofscience.com/wos/author/record/JLM-9059-2023" ext-link-type="uri">https://www.webofscience.com/wos/author/record/JLM-9059-2023</ext-link></p><p><ext-link xlink:href="https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=58140086200" ext-link-type="uri">https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=58140086200</ext-link></p></bio><bio xml:lang="en"><p>Roman V. Khvan, Cand.Sci. (Eng.), Senior Lecturer of the Operation of Transport Systems and Logistics Department</p><p>1, Gagarin Sq., Rostov-on-Don, 344003</p><p><ext-link xlink:href="https://www.webofscience.com/wos/author/record/JLM-9059-2023" ext-link-type="uri">https://www.webofscience.com/wos/author/record/JLM-9059-2023</ext-link></p><p><ext-link xlink:href="https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=58140086200" ext-link-type="uri">https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=58140086200</ext-link></p></bio><email xlink:type="simple">khvanroman@yandex.ru</email><xref ref-type="aff" rid="aff-1"/></contrib></contrib-group><aff-alternatives id="aff-1"><aff xml:lang="ru"><institution>Донской государственный технический университет</institution><country>Россия</country></aff><aff xml:lang="en"><institution>Don State Technical University</institution><country>Russian Federation</country></aff></aff-alternatives><pub-date pub-type="collection"><year>2024</year></pub-date><pub-date pub-type="epub"><day>20</day><month>05</month><year>2024</year></pub-date><volume>0</volume><issue>2</issue><fpage>68</fpage><lpage>77</lpage><permissions><copyright-statement>Copyright &amp;#x00A9; Хван Р.В., 2024</copyright-statement><copyright-year>2024</copyright-year><copyright-holder xml:lang="ru">Хван Р.В.</copyright-holder><copyright-holder xml:lang="en">Khvan R.V.</copyright-holder><license xml:lang="ru" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.</license-p></license><license xml:lang="en" license-type="creative-commons-attribution" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/" xlink:type="simple"><license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.</license-p></license></permissions><self-uri xlink:href="https://www.bps-journal.ru/jour/article/view/367">https://www.bps-journal.ru/jour/article/view/367</self-uri><abstract><p>Введение. В настоящее время искусственные нейронные сети (ИНС) успешно применяются для технического диагностирования стальных канатов. Зачастую при этом используют дорогостоящие программные продукты с адаптированной средой реализации нейронных сетей, такие как STATISTICA, Amygdala, MATLAB Simulink. Наиболее доступным способом построения и обучения ИНС с финансовой точки зрения является написание собственного программного кода с использованием интерактивных библиотек, таких как TensorFlow, PyTorch, Scikit-learn. Однако такие библиотеки не являются полноценными адаптированными средами построения ИНС, и для их использования необходимо владеть первичными навыками программирования. Поэтому качество ИНС зависит не только от архитектуры, объема и состава обучающих выборок, но и от метода (среды) построения ИНС. Целью данного исследования является сравнение качества работы ИНС, построенных и обученных различными методами, по критерию тестовой производительности сети, доверительным уровням оценки технического состояния каната, а также трудоемкости и скорости обучения. В связи с этим создано новое программное обеспечение для решения задачи оценки технического состояния стального каната по комбинации различных браковочных показателей.Материалы и методы. Основой для обучения ИНС послужили статистическая база данных типовых повреждений стальных канатов, экспертная оценка их технического состояния. Программное обеспечение написано на языке программирования Python. Приведены различные методы программирования нейронной сети: ИНС, построенной на базе программного комплекса STATISTICA, и ИНС, построенной с использованием интерактивной библиотеки Scikit-learn. Для проверки работы ИНС было подготовлено 10 тестовых выборок. Оценка качества работы ИНС проводилась по тестовой производительности сети и доверительным вероятностям (уровням активации «победившего» нейрона) определения технического состояния каната.Результаты исследования. Построение ИНС с использованием интерактивной библиотеки Scikit-learn показало сравнительно большую трудоемкость построения и сравнительно небольшую скорость обучения. Тестовая производительность сети при объеме тестовой выборки 10 оказалась одинаковой для обеих построенных ИНС. При этом обнаружилась разница в показателе среднего доверительного уровня определения технического состояния стального каната по результатам работы ИНС, построенной на базе программного комплекса STATISTICA, и ИНС, построенной с использованием интерактивной библиотеки Scikit-learn.Обсуждение и заключение. Полученные результаты показали, что ИНС, построенная с использованием программного комплекса STATISTICA, при одинаковой архитектуре и параметрах обучения сети имеет более оптимальные программные алгоритмы по критериям доверительной вероятности и скорости обучения сети по сравнению с ИНС, построенной с использованием бесплатной библиотеки Skicit-learn. Однако показатель тестовой производительности ИНС оказался одинаковым для обеих ИНС. Такой результат обосновывает использование ведущими мировыми научно-исследовательскими и коммерческими центрами в области искусственного интеллекта библиотек TensorFlow, PyTorch, Scikit-learn. Полученный научный результат позволит численно оценить и сравнить качество искусственных нейронных сетей, имеющих одинаковые архитектуру и параметры обучения, но построенных различными методами, он будет полезным как для будущих научных исследований в этой области, так и для выбора оптимальной среды построения ИНС в промышленной сфере деятельности.</p></abstract><trans-abstract xml:lang="en"><p>Introduction. Currently, artificial neural networks (ANN) are successfully used for technical diagnostics of steel ropes. Expensive software products with an adapted neural network implementation environment, such as STATISTICA, Amygdala, MatLab Simulink, are often used for this purpose. The most affordable way to build and train an ANN, from a financial point of view, is to write your own program code using interactive libraries such as TensorFlow, PyTorch, Scikit-learn. However, such libraries are not fully adapted for building an ANN, and to use them you need to have basic programming skills. As a result, the quality of an ANN depends not only on its architecture, training data, and composition, but also on the environment in which it is built. The aim of the work was to compare the quality of the ANN, built and trained by various methods according to the criterion of test network performance, confidence levels for assessing the technical condition of the rope, as well as the complexity and speed of training. For this purpose, new software has been developed to solve the problem of assessing the technical condition of a steel rope using a combination of various rejection indicators. Materials and Methods. The basis for an ANN training was a statistical database of typical damages of steel ropes and, an expert assessment of the technical condition of steel ropes. The software was written in the Python programming language. Various methods of programming a neural network were presented: an ANN built on the basis of the STATISTICA software package and an ANN built using the interactive Scikit-learn library. Ten test samples were prepared to verify the operation of the ANN. The ANN quality was assessed based on the test network performance and confidence probabilities (activation levels of the “winning” neuron) of determining the technical condition of the rope. Results. The construction of the ANN using the interactive library Scikit-learn showed a relatively high complexity of construction and a relatively low learning rate of the ANN. Test performance of the network, with a test sample size of ten, turned out to be the same for both built ANNs. At the same time, there was a difference in the indicator of the average confidence level for determining the technical condition of a steel rope between the results of the ANN built on the basis of the STATISTICA software package and the ANN built using the Scikit-learn interactive library. Discussion and Conclusion. The results showed that the ANN built using the STATISTICA software package with the same architecture and network learning parameters had more optimal software algorithms according to the criteria of confidence probability and network learning speed in comparison with the ANN built using the free Skicit-learn library. However, the indicator of the ANN test performance turned out to be the same for both ANNs. This result justified the use of TensorFlow, PyTorch, and Skicit-learn libraries by the world's leading research and commercial centers in the field of artificial intelligence. The obtained scientific result allows us to numerically evaluate and compare the quality of an ANN having the same architecture and learning parameters, but built using different methods. This will be useful for future scientific research in the field and for selecting the optimal environment for constructing ANNs in industrial applications.</p></trans-abstract><kwd-group xml:lang="ru"><kwd>стальной канат</kwd><kwd>искусственные нейронные сети</kwd><kwd>оценка технического состояния</kwd><kwd>Python</kwd><kwd>Scikit-learn</kwd><kwd>STATISTICA</kwd><kwd>браковочные показатели</kwd></kwd-group><kwd-group xml:lang="en"><kwd>steel rope</kwd><kwd>artificial neural networks</kwd><kwd>technical condition assessment</kwd><kwd>Python</kwd><kwd>Skicit-learn</kwd><kwd>STATISTICA</kwd><kwd>rejection indicators</kwd></kwd-group><funding-group><funding-statement xml:lang="ru">Автор выражает благодарность коллективу ООО «ИКЦ «Мысль» НГТУ г. Новочеркасска за предоставленную возможность использовать данные эксплуатации стальных канатов, а именно статистическую базу данных типовых повреждений стальных канатов.</funding-statement><funding-statement xml:lang="en">The author would like to expresses their gratitude to the team at the Engineering and Consulting Center “Mysl' LLC” of the Novocherkassk NSTU for the opportunity to use the data on the operation of steel ropes, specifically the statistical database on typical damages to steel ropes.</funding-statement></funding-group></article-meta></front><back><ref-list><title>References</title><ref id="cit1"><label>1</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Жернаков С.В. Применение технологии нейронных сетей для диагностики технического состояния авиационных двигателей. Интеллектуальные системы в производстве. 2006;2(8):70–83.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Zhernakov SV. Application of Neural Network Technology to Diagnose the Technical Condition of Aircraft Engines. Intellektual'nye Sistemy v Proizvodstve. 2006;2(8):70–83. (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit2"><label>2</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Панфилов А.В., Николаев Н.Н., Хван Р.В. Короткий А.А. Оценка возможных аварий канатных дорог по компетенциям работников с использованием нейронных сетей. Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2023;(1):79–86. https://doi.org/10.22281/2413-9920-2023-09-01-79-86</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Panfilov AV, Nikolaev NN, Khvan RV, Korotkiy AA. Assessment of Possible Cable Car Accidents by Employee Competencies Using Neural Networks. Nauchno-Tekhnicheskiy Vestnik Bryanskogo Gosudarstvennogo Universiteta. 2023;(1):79–86. https://doi.org/10.22281/2413-9920-2023-09-01-79-86 (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit3"><label>3</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Горева Т.И., Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Нейросетевые модели диагностики технических систем. Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки. 2012;1(4):31–43.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Goreva TI, Pornjagin NN, Pjukke GA. Neural Network Model Diagnosis Technical Systems. Bulletin of the Kamchatka Regional Association Educational and Scientific Center (KRASEC). Physicsal and Mathematicsal Sciences. 2012;1(4):31–43. (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit4"><label>4</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Beskopylny AN, Shcherban EM, Stelmakh SA, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Discovery and Classification of Defects on Facing Brick Specimens Using a Convolutional Neural Network. Applied Sciences. 2023;13(9):5413. https://doi.org/10.3390/app13095413</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Beskopylny AN, Shcherban EM, Stelmakh SA, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Discovery and Classification of Defects on Facing Brick Specimens Using a Convolutional Neural Network. Applied Sciences. 2023;13(9):5413. https://doi.org/10.3390/app13095413</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit5"><label>5</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Stelmakh SA, Shcherban EM, Beskopylny AN, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Prediction of Mechanical Properties of Highly Functional Lightweight Fiber-Reinforced Concrete Based on Deep Neural Network and Ensemble Regression Trees Methods. Materials. 2022;15(19):6740. https://doi.org/10.3390/ma15196740</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Stelmakh SA, Shcherban EM, Beskopylny AN, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Prediction of Mechanical Properties of Highly Functional Lightweight Fiber-Reinforced Concrete Based on Deep Neural Network and Ensemble Regression Trees Methods. Materials. 2022;15(19):6740. https://doi.org/10.3390/ma15196740</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit6"><label>6</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Beskopylny AN, Stelmakh SA, Shcherban EM, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Concrete Strength Prediction Using Machine Learning Methods CatBoost, k-Nearest Neighbors, Support Vector Regression. Applied Sciences. 2022;12(21):10864. https://doi.org/10.3390/app122110864</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Beskopylny AN, Stelmakh SA, Shcherban EM, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Concrete Strength Prediction Using Machine Learning Methods CatBoost, k-Nearest Neighbors, Support Vector Regression. Applied Sciences. 2022;12(21):10864. https://doi.org/10.3390/app122110864</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit7"><label>7</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Beskopylny AN, Shcherban EM, Stelmakh SA, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Detecting Cracks in Aerated Concrete Samples Using a Convolutional Neural Network. Applied Sciences. 2023;13(3):1904. https://doi.org/10.3390/app13031904</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Beskopylny AN, Shcherban EM, Stelmakh SA, Mailyan LR, Meskhi B, Razveeva I, et al. Detecting Cracks in Aerated Concrete Samples Using a Convolutional Neural Network. Applied Sciences. 2023;13(3):1904. https://doi.org/10.3390/app13031904</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit8"><label>8</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Воронцов В.А., Федоров Е.А. Разработка прототипа интеллектуальной системы оперативного мониторинга и технического состояния основных бортовых систем космического аппарата. Труды МАИ. 2015;2:1–35.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Vorontsov VA, Fedorov EA. Development of a Prototype of an Intelligent System for Operational Monitoring and Technical Condition of the Main Onboard Systems of the Spacecraft. Trudy MAI. 2015;2:1–35. (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit9"><label>9</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Панфилов А.В., Месхи Б.Ч., Короткий А.А., Юсупов А.Р., Хван Р.В. Программно-аппаратный комплекс визуально-измерительного контроля стальных канатов на основе компьютерного зрения и искусственного интеллекта. Монография. Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет; 2023. 131 с.</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Panfilov AV, Meskhi BCh, Korotkiy AA, Yusupov AR, Khvan RV. Software and Hardware Complex for Visual and Measuring Control of Steel Ropes Based on Computer Vision and Artificial Intelligence. Monograph. Rostov-on-Don: DSTU; 2023. 131 p. (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit10"><label>10</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Панфилов А.В., Николаев Н.Н., Юсупов А.Р., Короткий А.А. Интегральная оценка риска при диагностике стальных канатов с использованием компьютерного зрения. Безопасность техногенных и природных систем. 2023;(1):56–69. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2023-1-56-69</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Panfilov AV, Nikolaev NN, Yusupov AR, Korotkiy AA. Integral Risk Assessment in Steel Ropes Diagnostics Using Computer Vision. Safety of Technogenic and Natural Systems. 2023;(1):56–69. https://doi.org/10.23947/2541-9129-2023-1-56-69</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit11"><label>11</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Seyed Reza Ghoreishi, Tanguy Messager, Cartraud P, Davies P. Validity and Limitations of Linear Analytical Models for Steel Wire Strands under Axial Loading, Using a 3D FE Model. International Journal of Mechanical Sciences. 2007;49(11):1251–1261. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.03.014</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Seyed Reza Ghoreishi, Tanguy Messager, Cartraud P, Davies P. Validity and Limitations of Linear Analytical Models for Steel Wire Strands under Axial Loading, Using a 3D FE Model. International Journal of Mechanical Sciences. 2007;49(11):1251–1261. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2007.03.014</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit12"><label>12</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Frikha A, Cartraud P, Treyssède F. Mechanical Modeling of Helical Structures Accounting for Translational Invariance. Part 1: Static Behavior. International Journal of Solids and Structures. 2013;50(9):1373–1382. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.01.010</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Frikha A, Cartraud P, Treyssède F. Mechanical Modeling of Helical Structures Accounting for Translational Invariance. Part 1: Static Behavior. International Journal of Solids and Structures. 2013;50(9):1373–1382. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2013.01.010</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit13"><label>13</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Короткий А.А., Панфилов А.В., Хван Р.В., Юсупов А.Р. Интегральный метод оценки дефектов на работоспособность стального каната с использованием искусственных нейронных сетей. Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. 2023;8:73–79. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2023-18-73-79</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Korotkiy AA, Panfilov AV, Khvan RV, Yusupov AR. Integral Method of Assessing Defects on the Operability of Steel Rope Using Artificial Neural Networks. Transport, mining and construction engineering: science and production. 2023;8:73–79. https://doi.org/10.26160/2658-3305-2023-18-73-79 (In Russ.).</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit14"><label>14</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Foti F, De Luca di Roseto A. Analytical and Finite Element Modelling of the Elastic–Plastic Behaviour of Metallic Strands under Axial–Torsional Loads. International Journal of Mechanical Sciences. 2016;115–116:202–214. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.06.016</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Foti F, De Luca di Roseto A. Analytical and Finite Element Modelling of the Elastic–Plastic Behaviour of Metallic Strands under Axial–Torsional Loads. International Journal of Mechanical Sciences. 2016;115–116:202–214. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2016.06.016</mixed-citation></citation-alternatives></ref><ref id="cit15"><label>15</label><citation-alternatives><mixed-citation xml:lang="ru">Spak K, Agnes G, Inman D. Cable Modelling and Internal Damping Developments. Applied Mechanics Reviews. 2013;65(1):010801. https://doi.org/10.1115/1.4023489</mixed-citation><mixed-citation xml:lang="en">Spak K, Agnes G, Inman D. Cable Modelling and Internal Damping Developments. Applied Mechanics Reviews. 2013;65(1):010801. https://doi.org/10.1115/1.4023489</mixed-citation></citation-alternatives></ref></ref-list><fn-group><fn fn-type="conflict"><p>The authors declare that there are no conflicts of interest present.</p></fn></fn-group></back></article>
