Проект 075-15-2020-799

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ И СУПЕРКОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ПРЕОДОЛЕНИЕ БОЛЬШИХ ВЫЗОВОВ

Общие сведения о проекте

Цель проекта

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

Ход выполнения проекта

Успешно завершен и принят заказчиком Этап 1 проекта, количественные показатели достигнуты.

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, расчета обтекания летательных аппаратов, управления роботами и группами роботов. Результаты раздела 4 отчета могут быть использованы для расчета 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 надежных высокопроизводительны вычислительных систем. Внедрение результатов проекта в перечисленных областях несомненно усилит технические характеристики соответствующих прикладных разработок и повысит экономическую эффективность их производства и эксплуатации.

Успешно завершен и принят заказчиком Этап 2 проекта, количественные показатели достигнуты. На Этапе 2 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:

• вероятностно-статистические модели на основе энтропийных и минимаксных подходов могут быть применены для построения моделей метеорологии, медицины, физики плазмы, селенологии, океанологии;
• 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;
• методы обучения систем управления робототехническими устройствами и методы навигации мобильных роботов востребованы в задачах управления отдельными роботами и группами роботов;
• 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;
• метод получения достоверной информации о психологических особенностях человека может быть применен для прогнозирования и раннего обнаружения социально-опасных явлений, деструктивных процессов в обществе.

Завершен Этап 3 проекта, отчетная документация передана заказчику. В ходе выполнения 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:

• 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;
• аппарат систем массового обслуживания, которому уделено существенное внимание на третьем этапе проекта, находит свое применение в моделировании сетей сотовой связи пятого поколения;
• 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;
• 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;
• 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.

Успешно выполнен и принят заказчиком заключительный, 4й этап проекта. Среди наиболее значимых научных результатов, востребованных в широком спектре отраслей экономики страны, необходимо отметить:

• рандомизированные процедуры восстановления пропущенных данных, вычислительные процедуры для жесткого и мягкого рандомизированного обучения;
• новые алгоритмы построения гауссовых пирамид, обнаружения признаков на изображениях и удаления шумов всевозможных типов;
• новый адаптивный взвешенный алгоритм фантомных элементов для распутывания и оптимизации расчетных сеток;
• новые методы классификации и регрессии на основе глубоких смешанных гауссовских моделей;
• точные методы решения задач целочисленной линейной оптимизации для вычислительных систем с разделяемой памятью;
• новый метод адаптивного синтезированного управления для решения расширенной задачи оптимального управления;
• новый метод построения топологической карты в условиях частично-наблюдаемой среды и метода генерации маневров мобильного робота;
• методологию создания цифровых моделей для предсказания структуры и физических свойств новых композиционных материалов;
• методологию сбоеустойчивого комплексирования сложных систем на базе самосинхронной парадигмы.

Все результаты были опубликованы в высокорейтинговых научных изданиях (15 публикаций в журналах первого и второго квартилей WoS/SCOPUS). Получен ряд охранных документов на созданные РИДы, подготовлено несколько научных кадров высшей квалификации с использованием результатов 4-го этапа проекта.

Общая оценка выполнения проекта

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, в том числе физики плазмы, океанологии и других областей;
• самосинхронная схемотехника, позволяющая обеспечивать принципиальной иной, более высокий, по сравнению с традиционными архитектурами уровень надежности.

• 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 прогнозирования общественных катаклизмов.

Полученные результаты, детально описанные в отчетах за четыре этапа выполнения НИР, обладают высокой значимостью для науки и ее приложений, и вносят вклад в развитие страны. Из имеющих наибольший потенциал внедрения отметим следующие результаты:

• Разработан комплексный подход, основанный на развитых в рамках проекта новых 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, в том числе физики плазмы и океанологии.
• 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 расчетов 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.
• Предложен оригинальный метод автономного исследования неизвестной местности, использующие 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.
• Разработаны общие методы решения задач глобальной непрерывной и линейной целочисленной оптимизации, позволяющие с единых позиций подступиться к решению задач эффективной организации систем беспроводной связи, планировании и управлении на производстве.

Итоги научной деятельности по проекту свидетельствуют о том, что заявленная цель проекта полностью достигнута: по всем перечисленным в цели областям исследований получены прорывные результаты, мировой уровень которых подтвержден публикациями в авторитетных рецензируемых научных изданиях. Работы выполнены в строгом соответствии с календарным планом, что подтверждено в отчетах за все этапы НИР. Основные количественные индикаторы проекта, включая подготовку для страны научных кадров высшей квалификации, существенно превышают указанные в Соглашении. Высокий научно-технический уровень и полное выполнение требований Соглашения подтверждают обоснованность финансовых затрат на выполнение проекта, что также подтверждается отчетной финансовой документацией по проекту.