Методы построения и моделирования сложных систем на основе интеллектуальных и суперкомпьютерных технологий, направленных на преодоление больших вызовов

Description

Организация-заказчик: Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Соглашение № 075-15-2020-799 https://frccsc.ru/projects/075.15.2020.799

Название: Методы построения и моделирования сложных систем на основе интеллектуальных и суперкомпьютерных технологий, направленных на преодоление больших вызовов

Руководитель проекта: Соколов Игорь Анатольевич

Организация-исполнитель: Федеральный исследовательский центр «Информатика и управление» Российской академии наук

Срок выполнения: 29.09.2020 – 31.12.2022

Annotation

Целью проекта является проведение комплексных исследований в области построения и моделирования сложных систем. В проекте соединено несколько направлений, охватывающих как фундаментальные, так и прикладные исследования. Основным результатом проекта станет создание теории, методов и инструментов моделирования сложных систем и применение разработанных технологий для решения широкого спектра актуальных прикладных задач из различных областей: робототехника, материаловедение, вычислительная биология, моделирование летательных аппаратов. Успешная реализация проекта может стать существенным продвижением в решении задач «больших вызовов» в соответствии с ключевыми приоритетами стратегии научно технического развития России.

Results annotation

В ходе выполнения первого этапа проекта получены следующие результаты:

 разработана методология исследования информационной и статистической структуры процессов в сложных системах;

 разработаны численные алгоритмы адаптивного сгущения расчетных сеток для расчетов внешнего обтекания тел сложной формы;

 разработаны алгоритмы глобальной оптимизации и методы решения задачи оптимального управления;

 создана многомасштабная модель для расчета структурных характеристик новых композиционных материалов;

 разработана методология проектирования микросхем с повышенным временем бессбойной работы и способностью адаптироваться к изменяющимся условиям эксплуатации.

Полученные результаты могут быть применены при моделировании турбулентной плазмы, расчёта обтекания летательных аппаратов, управления роботами и группами роботов. Результаты раздела 4 отчёта могут быть использованы для расчёта структурных характеристик новых композиционных материалов, применяемых в авиационно-космической отрасли. Методология проектирования микросхем, характеризующихся повышенным временем бессбойной работы, разработанная в рамках проекта может быть применена для создания надёжных высокопроизводительны вычислительных систем. Внедрение результатов проекта в перечисленных областях несомненно усилит технические характеристики соответствующих прикладных разработок и повысит экономическую эффективность их производства и эксплуатации.

На втором этапе проекта получены следующие результаты:

 разработаны вероятностно-статистические модели на основе энтропийных и минимаксных подходов;

 созданы параллельные алгоритмы решения кинетических уравнений для расчетов течений разреженных газов, включая существенно нестационарные течения газа;

 разработаны новые кинетические методы на основе решеточных уравнений Больцмана;

 разработаны методы построения оптимальных расчетных адаптивных многоугольных сеток;

 создан программный комплекс для решения задач глобальной оптимизации на высокопроизводительных вычислительных системах;

 разработаны методы обучения систем управления робототехническими устройствами и методы навигации мобильных роботов, построенные на основе эвристического поиска, и машинного обучения и технологии символьной регрессии;

 создан программный комплекс с применением высокопроизводительных вычислений для моделирования структурных свойств композиционных материалов;

 разработан метод получения достоверной информации о психологических особенностях человека на основании анализа его письменной речи;

 разработано логическое, схемотехническое и топологическое представления элементов самосинхронной библиотеки микросхем.

Результаты второго этапа проекта вносят существенный вклад в теорию и методы математического моделирования сложных систем широкого спектра. Значимость и мировой научный уровень результатов подтверждается их опубликованием в высокорейтинговых научных изданиях (19 публикаций из Q1, Q2 WoS/SCOPUS) и апробацией на престижных международных конференциях.

Перечислим некоторые наиболее значимые области применения полученных результатов:

  1. вероятностно-статистические модели на основе энтропийных и минимаксных подходов могут быть применены для построения моделей метеорологии, медицины, физики плазмы, селенологии, океанологии;
  2. алгоритмы решения кинетических уравнений для расчетов течений разреженных газов, включая существенно нестационарные течения газа, могут найти применение при решении задач высотной аэродинамики, импульсной лазерной абляции, моделировании течений газа в микроустройствах и в вакуумнойтехнике;
  3. методы обучения систем управления робототехническими устройствами и методы навигации мобильных роботов востребованы в задачах управления отдельными роботами и группами роботов;
  4. программный комплекс с применением высокопроизводительных вычислений для моделирования структурных свойств композиционных материалов может применяться для создания материалов специального назначения для нужд микроэлектроники, авиационной промышленности и других отраслей;
  5. метод получения достоверной информации о психологических особенностях человека может быть применен для прогнозирования и раннего обнаружения социально-опасных явлений, деструктивных процессов в обществе.

В ходе выполнения третьего этапа получены следующие научные результаты:

 разработаны методы решения уравнений Больцмана, движения разреженного газа, теория и методы построения оптимальных расчетных сеток;

 получены новые аналитические свойства стохастических систем и систем массового обслуживания и программные инструменты для анализа данных в сложных системах на основе нейросетевых методов;

 создан программный комплекс для решения задач глобальной оптимизации на графических ускорителях, разработаны методы инженерной оптимизации и алгоритмы поиска энергетически оптимальных конфигураций белковых структур;

 разработаны методы интеллектуального адаптивного управления роботами;

 создан программный комплекс для решения различных классов задач в области наук о материалах;

 создан новый метод оценки направленности и динамики реакции пользователей социальных сетей на значимые события;

 разработаны программные инструменты для моделирования в области самосинхронной схемотехники.

Научная значимость полученных результатов подтверждается публикациями в ведущих научных изданиях (28 публикаций в журналах первого и второго квартилей WoS/SCOPUS). Результаты также обладают высокой практической значимостью и востребованы в широком спектре прикладных отраслей экономики: авиастроение, космическая отрасль, робототехника, производство композиционных материалов, электроника.

Перечислим некоторые наиболее значимые области применения полученных результатов:

  1. разработанные методы решения уравнений Больцмана, движения разреженного газа, теория и методы построения оптимальных расчетных сеток применимы для решения проблемы управления сверхзвуковым/гиперзвуковым обтеканием аэродинамического тела и моделирования распространения акустических волн в областях сложной геометрии;
  2. аппарат систем массового обслуживания, которому уделено существенное внимание на третьем этапе проекта, находит свое применение в моделировании сетей сотовой связи пятого поколения;
  3. методы аппроксимации неявно заданных множеств, разработанные в проекте, применимы для определения рабочих областей роботов параллельной структуры, пример такого применения для реабилитационного механизма приводится в отчете по проекту;
  4. новые методы адаптивного управления поведением робототехнических систем позволяют управлять роботами в сложной разноуровневой среде с препятствиями, что продемонстрировано на симуляторе и в условиях испытательного полигона;
  5. метод оценки направленности и динамики реакции пользователей социальных сетей на значимые события позволяет получать объективную оценку психоэмоционального состояния пользователей социальных сетей и общества в целом, выявлять изменение характера психоэмоциональных реакций на значимые события в масштабах города, региона, страны, что помогает в противодействие социальным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, иным источникам опасности для общества и государства.

Ряд результатов готов к внедрению, разработаны программы для ЭВМ, на которые получены свидетельства о государственной регистрации.

Публикации:

Ениколопов С. Н., Кузнецова Ю. М., Осипов Г. С., Смирнов И. В., Чудова Н. В. Метод реляционно-ситуационного анализа текста в психологических исследованиях // Психология. Журнал Высшей школы экономики. – 2021. – Т. 18. – №4. – С. 748–769. (ссылка)

Project evaluation

В ходе выполнения проекта были получены прорывные научные результаты по широкому спектру направлений:

  • теория, методы и программные инструменты решения дифференциальных уравнений, моделирующих различные физические процессы из области высотной аэромеханики, фазовых переходах вещества и других областях;
  • методы вероятностного моделирования, математической статистики, прогнозирования, позволяющие эффективно решать ряд задач физики плазмы, океанологии и других областей;
  • методы оптимизации и алгоритмы управления, основанные на технологиях искусственного интеллекта, применение которых позволяет качественно улучшить характеристики робототехнических систем;
  • новые подходы к решению задач в области наук о материалах и разработанная на их основе среда моделирования свойств таких материалов, которая может быть применена в авиастроении и других областях, где подобные материалы используются;
  • методы автоматической оценки реакции пользователей социальных сетей на различные значимые события, что находит широкое применение в области прогрнозирования общественных катаклизмов;
  • самосинхронная схемотехника, позволяющая обеспечивать принципиальной иной, более высокий, по сравнению с традиционными архитектурами уровень надежности.

Все полученные результаты обладают высокой значимостью для науки, общества и государства, детально обоснованной в отчетах за три этапа выполнения НИР. Остановимся на наиболее интересных результатах, имеющих большой потенциал внедрения.

  1. Разработан комплексный подход, основанный на развиваемых в рамках проекта нетривиальных вероятностно-статистических моделях, позволивший создать уникальные методы прогнозирования с принципиально новыми характеристиками. Использование дополнительных обучающих признаков позволило повысить точность в среднем на 15.94% для краткосрочных и на 11.88% для среднесрочных прогнозов по сравнению с известными методами в целом ряде прикладных направлений (физика плазмы, океанология).
  2. Разработаны новые теоретические подходы и численные методы моделирования сложных пространственных течений разреженного газа, обеспечивающие существенный (в 100 и более раз) рост точности и эффективности суперкомпьютерного моделирования. Уникальность разработанных новых алгоритмов состоит в комбинированном использовании неструктурированных расчетных сеток, что позволяет достичь масштабируемости расчётов до 10000 ядер и выигрыша во времени до 1000 раз по сравнению с существующими пакетами программ. Для задач импульсного испарения разработан метод решения, который позволяет получить выигрыш по сравнению с существующими алгоритмами по времени счета до 1000 раз за счет эффективного распараллеливания вычислений, что является прорывным результатом, не имеющим мировых аналогов.
  3. Предложен оригинальный метод автономного исследования неизвестной местности, использующий нейросетевые модели восстановления глубины по изображениям видеокамеры. В отличие от мировых аналогов, разработанные методы способны работать в режиме реального времени на маломощных вычислителях, устанавливаемых на борту малых мобильных робототехнических систем.