Ежедневно Россия добывает колоссальные объемы нефти — около 10,8 млн баррелей (1,72 миллиарда литров). Чтобы поддерживать эти темпы, тысячи скважин по всей стране должны работать в режиме нон-стоп, без остановок. Однако на практике идеальный ритм часто прерывается из-за технических сбоев, и каждая минута простоя оборачивается для компаний прямыми финансовыми потерями.

Одной из частых причин таких нарушений работы оказывается не износ оборудования, а сама добываемая из скважин жидкость. Дело в том, что это сложная многокомпонентная «смесь». Помимо легких фракций нефти, из которых получают топливо, в ее состав входят тяжелые углеводороды — парафины и асфальтены, кислоты, а также минеральные соли и пластовая вода.

Эти компоненты и являются главными вредителями. Под воздействием резких перепадов температуры и давления при подъеме нефти на поверхность они ведут себя подобно накипи в чайнике. Парафины кристаллизуются, превращаясь из растворенного состояния в твердое, и создают на стенках труб плотную, воскообразную корку. Соли выпадают в осадок, усиливая образование пробок, а асфальтены слипаются в смолистые сгустки. Многослойные отложения постепенно нарастают изнутри, сужая диаметр труб и оседая на чувствительных механизмах насосов. В конечном итоге пробка может полностью перекрыть «артерию» скважины, остановив жизненно важный поток.

Для предотвращения этих проблем сегодня применяются три основные стратегии. Первая — механическая очистка уже образовавшихся отложений, когда процесс требует остановки скважины и приводит к технологическим простоям. Вторая – промывка скважинных трубопроводов горячим агентом (нефть, вода или перегретый пар), что также требует приостановки эксплуатации скважины и существенных энергозатрат на нагрев и циркуляцию горячего агента. Более современный подход — профилактика с помощью специальных химических реагентов (защитных составов, предотвращающих образование пробок), которые непрерывно подаются в скважину и предотвращают кристаллизацию парафинов и солей.

Однако сама технология дозирования этих компонентов сталкивается с серьезными проблемами. Поршневые системы (где реагент вытесняется механическим поршнем) часто выходят из строя из-за заклинивания механизмов. Автоматизированные дозирующие устройства (с электронным управлением и собственным мотором) не выдерживают экстремальных условий скважины — комбинации высоких давлений, температур и химически агрессивной среды.

Но ключевой и самой распространенной проблемой на практике является отсутствие синхронизации работы дозатора со скважинным насосом, который качает нефть. Это приводит к нерациональному использованию реагента. Во-первых, пока скважина простаивает, дорогостоящий химический реагент продолжает расходоваться, самопроизвольно вытекая из дозирующего устройства и смешиваясь внутри него со скважинной жидкостью. Во-вторых, как только начинается активная добыча, его уже не хватает для предотвращения пробок.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха впервые разработали специальное погружное устройство, оснащенное дозировочным насосом, который работает непосредственно от вала (центральной вращающейся детали), погружного электродвигателя скважинной насосной установки. Существующие на сегодняшний день аналоги характеризуются, либо высокой сложностью конструкции и низкой надежностью, либо не обеспечивают долговременное и стабильное поддержание эффективной концентрации химических реагентов в скважинной жидкости, ввиду непостоянной скорости их подачи.

Внешне устройство представляет собой компактный цилиндрический модуль, предназначенный для размещения в скважине. Данный модуль содержит несколько функциональных узлов: верхняя часть содержит дозировочный насос и редуктор, который передает вращение от погружного электродвигателя дозировочному насосу, а нижняя служит резервуаром для химического реагента. Приводом устройства служит погружной электродвигатель, являющийся также приводом и для скважинного насоса, что обеспечивает стабильную и согласованную с работой насосной установки подачу реагента в скважинную жидкость.

— Предложенное устройство работает следующим образом: при запуске насосной установки начинается одновременное извлечение скважинной жидкости и подача в нее химических реагентов, а при выключении – оба процесса прекращаются. Такой результат достигается за счет того, что скважинный насос и устройство для подачи реагента в скважину приводятся в действие погружным электродвигателем, общим для обоих устройств. Жидкий химический реагент изолирован от добываемой жидкости и хранится в эластичном резервуаре особой конструкции, что исключает смешивание реагента со скважинной жидкостью и его утечки в периоды простоя оборудования, — рассказал Вадим Картавцев, ассистент, инженер кафедры горной электромеханики ПНИПУ.

Говоря простым языком, представьте «умную капсулу», которую опускают в скважину вместе с оборудованием. Перед этим ее заправляют химическим составом. Дальше все происходит автоматически: когда насосная установка активна, одновременно приводится в действие дозатор, который подает реагент прямо в нефтяной поток. Как только добычу приостанавливают, подача моментально прекращается.

— Также мы продумали и систему безопасности. В эластичный резервуар встроен специальный подпружиненный клапан-предохранитель. Он страхует устройство в аварийной ситуации — когда реагент неожиданно заканчивается, но насос продолжает работать и создает разрежение. Клапан автоматически открывается и впускает скважинную жидкость, не позволяя резервуару деформироваться больше допустимого и порваться под действием перепада давления, — добавил Валерий Зверев, доцент кафедры горной электромеханики ПНИПУ, кандидат технических наук.

Это похоже на бутылку с водой, из которой допили всю жидкость — если продолжить пытаться пить, пластиковая бутылка начнет сминаться и деформироваться. Встроенный предохранительный клапан действует как защитная система спортивной бутылки: при возникновении опасного разряжения он мгновенно открывается и впускает скважинную жидкость, сохраняя целостность резервуара до следующей заправки.

Таким образом, разработка ученых предлагает комплексное решение проблемы образования пробок. Новый подход исключает простои и перерасход реагентов: он увеличивает время поддержания эффективной концентрации реагента в скважинной жидкости в 2-3 раза по сравнению с серийными дозаторами с жидким реагентом и сокращает расход на 15-30 % по сравнению с серийными дозаторами с капсулированным ингибитором. Все это позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы и повысить рентабельность добычи нефти.

Реально ох.ел от ролика... Эта проблема похлеще глобального потепления и вероятной ядерной войны. Вкратце суть - в каждом (!) живом существе планеты содержится доза опасных веществ, приводящая в итоге к онкологии. Это побочные продукты производства антипригарных покрытий, моющих средств, упаковки и прочих бытовых полезностей, без которых мы уже не можем жить с 20-х годов прошлого столетия.

Посмотрите. Рекомендую.

Да, это "замедленная" платформа. Но все же в курсе ?...

Природа предусмотрела механизмы регенерации костной ткани, но они эффективны лишь при незначительных повреждениях. Критический размер дефекта, превышающий 2-3 см, становится непреодолимым препятствием для естественного заживления. Организм не может самостоятельно восстановить обширные повреждения. Из-за этого вместо костной ткани формируется рубцовая, возникает ложный сустав, либо дефект не устраняется.

Современная медицина также сталкивается с системными ограничениями при лечении масштабных повреждений. Традиционная аутотрансплантация - пересадка собственной костной ткани пациента – имеет серьезные недостатки. Например, дополнительное хирургическое вмешательство в области забора материала может создать новую травму, увеличить кровопотерю и риск осложнений.

В этих условиях тканевая инженерия предлагает принципиально иной подход. Ее суть заключается в создании искусственных аналогов тканей, способных направлять и поддерживать естественные процессы регенерации. Ключевая роль в этом процессе отводится скаффолдам - трехмерным пористым каркасам. Эти конструкции выполняют функцию временной поддержки и постепенно замещаются естественной костной тканью, обеспечивая полноценное восстановление поврежденных участков. На практике такой каркас, изготовленный по индивидуальным параметрам пациента, устанавливается в зону дефекта и служит для последующего формирования новой здоровой ткани.

Однако критическим фактором для успешной регенерации становится внутреннее строение скаффолда. Ученые ПНИПУ ранее уже разрабатывали искусственные каркасы, оптимизируя их структуру для замены кости. Они подбирали форму и размер пор скаффолдов, которые обеспечили бы механическую прочность искусственного аналога для избежания атрофии и трещин у пациентов.

Однако для успешного вживления имплантата критически важно понимать, как форма внутренних пор будет влиять на поведение живых клеток. Эти поры представляют собой систему пустот и каналов внутри каркаса, которые служат «дорогами» для миграции клеток и их размножения, а также обеспечивают доставку питательных веществ по всей конструкции. Без правильной геометрии внутренних каналов даже самый прочный имплантат может не прижиться.

Ранее ученые Пермского Политеха создали компьютерную модель, способную имитировать ключевые процессы роста тканей на искусственных каркасах. Она позволила получить общее представление о взаимодействии клеток со структурой скаффолда.

Теперь они усовершенствовали созданную модель и использовали ее как инструмент для изучения процесса роста костной ткани в скаффолдах. Ученые выяснили, какая структура импланта будет наиболее подходящей для ускорения регенерации.

Ключевым преимуществом разработанной математической модели является ее комплексность. В отличие от более простых подходов, она одновременно учитывает все основные «правила жизни» клеток: их стремление сохранять размер, устойчивость к изгибам, способность сжиматься и сцепляться друг с другом. Такой подход дает возможность с помощью расчетов предсказать, какую конкретно форму примет растущая ткань и где в ней возникнут внутренние напряжения, в зависимости от строения каркаса.

В рамках исследования были разработаны и проанализированы три типа геометрии пор скаффолда. Первый вариант представлял собой прямые каналы. Такая форма помогла понять, как клетки растут в самых простых, почти идеальных условиях, где им ничего не мешает. Второй тип имел синусообразную форму (извилистые каналы) с плавными сужениями и расширениями, имитирующую более естественную, умеренно неровную среду. Третий вариант представлял собой градиентно-периодические каналы: чередующиеся участки с различной геометрией. Такая форма пор максимально приближена к тому, как устроены пустоты в живых биологических тканях.

— После подготовки трех моделей скаффолдов мы приступили к численному моделированию. В каждый тип поры поместили одну клетку, после чего математическая модель отслеживала процесс ее развития. Это позволило получить количественные данные о том, с какой скоростью растет костная ткань, как при этом меняется форма отдельных клеток и где возникают зоны механического давления, — комментирует Иван Красняков, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.

Для комплексной оценки эффективности каждого скаффолда ученые проанализировали не только темпы роста, но и распределение напряжения. Этот параметр имеет критическое значение, поскольку повышенные нагрузки создают неблагоприятные условия для восстановления клеток. В условиях высокого напряжения они вынуждены тратить энергию на поддержание структурной целостности, что физически замедляет процесс деления.

Для объективного анализа механических напряжений был разработан специализированный программный модуль, который автоматически выделял и количественно оценивал зоны с экстремальными нагрузками. Это позволило перейти от визуальной оценки к точному количественному сравнению различных строений скаффолдов.

— Результаты моделирования показали, что геометрия пор напрямую влияет на скорость восстановления клеток. В прямых каналах рост ткани происходит в среднем на 10-20% быстрее, чем в синусообразных. Их преимущество объясняется отсутствием геометрических препятствий для миграции клеток, а также равномерным распределением стимулирующих факторов роста (например, белков или гормонов), – дополнил Максим Бузмаков, младший научный сотрудник кафедры «Прикладная физика» ПНИПУ.

В градиентно-периодических каналах, несмотря на более сложную геометрию, рост ткани происходит почти с такой же скоростью, как и в прямых. Однако в местах резких изгибов формировались зоны повышенных механических напряжений, что может повлиять на весь процесс регенерации тканей.

— В настоящее время ведется работа по усовершенствованию математической модели для условий, приближенных к работе реального биореактора, где через каркас с порами непрерывно протекает питательная жидкость. Важно, что в таких условиях синусоидальные и градиентно-периодические каналы могут оказаться предпочтительнее прямых за счет более эффективного перемешивания жидкости и улучшения транспорта питательных веществ, — рассказал Максим Бузмаков.

Исследование открывает перспективы для создания оптимизированных имплантатов, где внутренняя структура будет спроектирована специально для ускоренного роста ткани и сокращения сроков лечения пациентов. Полученные результаты могут найти применение в различных областях медицины, включая травматологию и хирургию для восстановления сложных костных дефектов.

Сердце всех ML алгоритмов это функция потерь, научившись её оптимизировать мы поймём как обучаются машины.

Дальше в посте, я опишу свойства функции среднеквадратичной ошибки (MSE), затем методы её оптимизации (аналитические, численные, стохастические и гибридные), укажу важные формулы, поведение градиента/Гессиана, оценки сходимости и практические рекомендации.

Основные свойства MSE

1. Дифференцируемость

MSE — гладкая (бесконечно дифференцируема) функция параметров для линейной модели она квадратичная — что сильно упрощает анализ.

2 Квадратичность и выпуклость

MSE — квадратичная функция, такая функция выпукла (всегда), а если X⊤X положительно определена (то есть признаки линейно независимы и строго выпукла и имеет единственный глобальный минимум.

Для нелинейных параметрических моделей выпуклость обычно не выполняется — могут быть локальные минимума.

3. Градиент и Гессиан

Гессиан положительно полуопределён. Его собственные значения управляют «кривизной» функции (вдоль направлений с большими э-величинами функция круто меняется).

4 Шкала, чувствительность к выбросам и статистическая интерпретация

MSE сильно чувствительна к выбросам (квадратичная зависимость даёт большим ошибкам непропорционально большой вклад).

Если ошибки в модели нормальны, то MSE (максимизация правдоподобия) соответствует MLE — минимизация MSE = максимизация нормального правдоподобия.

5. Аналитическое решение

Закрытая форма (normal equations).

6. Алгоритмы численной оптимизации

Градиентный спуск (Batch Gradient Descent)

7. Стохастический градиентный спуск (SGD) и мини-батчи

Стохастичность даёт возможность выйти из плохих локальных минимумов (для нелинейных задач).

8. Ускоренные и адаптивные методы

Momentum (classical momentum) — ускоряет спуск по узким долинам.

Nesterov Accelerated Gradient (NAG) — улучшенный momentum с теоретическими гарантиями.

Адаптивные алгоритмы: Adagrad, RMSProp, Adam, AdamW. Они подбирают адаптивный шаг для каждого параметра.

9. Второго порядка и квазиньютоновские методы

Newton’s method (использует Гессиан) Kвазиньютоновские: BFGS, L-BFGS Conjugate Gradient (CG) часто используют для ridge регрессии

10. Проксимальные и координатные методы (для регуляризации)

Coordinate Descent — особенно эффективен для L1-регуляризованных задач (LASSO), когда функция частично сепарабельна.

11. Прямые методы оптимизации

SVD, cholesky, QR

Обратите внимание что в посте вы не увидите саму модель линейной регресии, где мы точки прямой аппроксимируем, потому что это вообще неинтересно с точки зрения понимания моделей машинного обучения, интересно только сердце ML моделей - функция потерь.

Учёный с интересом изучает хентай. С 30 минуты: youtu.be/FSmtz-kqmmM

И компьютерные игры:

Кобальт: «Злой дух» горняков, ставший душой батарей

Кобальт (Co) — это не просто переходный металл; это элемент, чья история началась с проклятий и мифов.

От руд, которые "крали" серебро, до незаменимой роли в зелёной энергетике, Кобальт прошёл путь от "злого духа", варки синего стекла до одного из самых стратегически важных элементов.

Миф и история: «Гном» и «злой дух» горнодобычи

Коболд (Kobold): В немецкой мифологии кобольд — это злобный гном или дух, который обитает в горах и приносит несчастья.

Саксонцы объясняли эти неприятности вмешательством нечистой силы, коварного подземного гнома кобольда.

Средневековые горняки в Саксонии, добывавшие серебро, постоянно натыкались на руды, которые выглядели как ценный металл, но не давали серебра при плавке.

Более того, при обжиге эти руды выделяли токсичный мышьяковистый дым.

Для этого в Германии даже читали в церквах молитвы о спасении горняков от злого духа «кобольда».

Со временем саксонцы научились отличать руду серебра от руды кобальта и стали ее называть «кобольд».

Лишь только в 1735 г. шведский химик Георг Брандт смог выделить из этой из этой «нечистой» руды серый со слабым розоватым оттенком неизвестный металл который назвали «кобальт».

Но на этом история кобальта необычные похождения очень ценного элемента не закончились, а вылились в череду таинственных и крайне опасных ситуаций с его соединением для получения синей краски.

Синяя краска для стекол

Синее стекло было известно еще в древнем Египте, но способы его получения держались в большом секрете и знали об этом только ограниченное количество людей.

Лишь только в средние века  его производство наладили в Венецианской республикой.

Чтобы оградить секреты варки цветных стекол от чужого любопытства, правительство Венеции в XIII в. специальным указом перевело все стекольные фабрики на Уединенный остров Мурано.

Но как и в современном криминальном детективе из такого производства был выкраден рецепт, при этом подмастерье убил своего мастера и спалил его стекольную мастерскую.

Так была открыта тайна синего стекла для других государств.

В 1520 г. Вейденхаммер в Германии нашел способ приготовления краски для синего стекла и по дорогой цене стал продавать ее венецианскому правительству!

Через 20 лет богемский стекольный мастер Шюрер тоже стал делать синюю краску из какой-то руды, известной ему одному.

Лишь через целое столетие этот секрет  подробно описал в своих трудах химик Иоганн Кункель, но не раскрыл из какой именно руды ее делают, где эту руду искать и какая ее составная часть обладает красящим свойством.

То есть загадка так и осталась не отрытой и только после исследования Брандта было выяснено, что сафр, или цаффер,— продукт прокаливания руды, богатой кобальтом, содержит окислы кобальта и множество окислов других металлов.

Сплавленный затем с песком и поташом цаффер образовывал смальту, которая и представляла собой краску для стекла.

Помимо смальты, существуют и другие кобальтовые красители: синяя алюминиево-кобальтовая краска — тенарова синь; зеленая — комбинация окислов кобальта.

Но на этом его таинственная история не закончилась, а лишь продолжилась в фокусах с использованием его солей.

Магия солей кобальта

Таинственная история Кобальта продолжилась благодаря уникальному свойству его солей, способных менять цвет в зависимости от влажности и температуры, что веками использовалось для эффектных фокусов и даже шпионажа.

Чудеса превращения красок известны еще с XVI столетия.

Профессор Базельского университета химик и врач Парацельс показывал написанную им самим картину.

Он демонстрировал красиво написанный зимний пейзаж с с деревьями, пригорками покрытые снегом.

Слегка подогрев ее пейзаж оживал сменялся летним: деревья одевались листвой, на пригорках зеленела трава.

Это свойство в 1737 г. открыл один французский химик, кобальтовые соли окрашивались под действием тепла и использовал их в качестве симпатических чернил.

Что с большим успехом использовалось для тайных посланий.

Сейчас эта особенность солей кобальта имеет практическое значение в лабораторной технике: раствором кобальтовых солей метят фарфоровые тигли.

После прогрева такая метка четко выступает на белой поверхности фарфора.

В настоящее время ранее опасный и коварный с магическими свойствами элемент стал не заменимым и самым востребованным.

Путешествие кобальта в настоящем

Несмотря на токсичность своих руд (за счет мышьяка) и вековое использование в качестве простого красителя, кобальт превратился в один из самых стратегически важных элементов современной цивилизации.

Из него изготовляют известные всем нам литий кобальтовые батареи, которые используются не только в мобильных телефонах но и электромобилей, сделал его стратегическим сырьем, спрос на которое ежегодно растет.

Жаростойкие сплавы: В XX веке было обнаружено, что Кобальт, добавленный в сталь, создает сверхтвердые, износостойкие и, самое главное, жаропрочные сплавы (такие как стеллиты и хастеллои).

Благодаря невероятной стойкости к высоким температурам, эти сплавы стали незаменимы для изготовления лопаток турбин реактивных двигателей, а также для высокоскоростных режущих инструментов и хирургических имплантатов.

Кобальт позволяет металлу сохранять прочность там, где другие сплавы уже плавятся.

Единственный в B12: Кобальт является единственным элементом из переходных металлов, который необходим человеческому организму.

Он входит в состав витамина B12 (кобаламина), который необходим для кроветворения, здоровья нервной системы и ДНК-синтеза.