Отчет ИВМ СО РАН за 2022 год

Введение

• Введение

Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН (далее — ИВМ СО РАН или Институт) был организован 01 января 1975 года постановлением Президиума Сибирского отделения Академии наук СССР от 17.01.1975 № 33 во исполнение постановлений Президиума Академии наук СССР от 16.05.1974 № 423 и Коллегии Государственного комитета Совета Министров СССР по науке и технике от 19.11.1974 № 65 как Вычислительный центр СО АН СССР в г. Красноярске (ВЦК СО АН СССР) на правах научно-исследовательского института.

Инициатором создания Института и его директором-организатором был Председатель СО АН СССР академик Марчук Г. И., а первыми директорами — член-корреспондент РАН Дулов В. Г. (1975–1983) и академик РАН Шокин Ю. И. (1983–1990); с 1990 года по апрель 2016 год его возглавлял член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.. В апреле 2016 года директором Института стал д-р физ.-мат. наук, проф. Садовский В. М. Со второй половины апреля 2022 года по настоящее время директором Института вновь является член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.

Тематика исследований Института формировалась с учетом важнейших проблем Красноярского края. Создание Вычислительного центра в г. Красноярске в дополнение к успешно функционирующему Вычислительному центру в г. Новосибирске имело большое значение не только для академической науки, но и для дальнейшего развития производительных сил Восточной Сибири.

Постановлением Президиума Российской академии наук от 26.12.1997 № 215 Институт был переименован в Институт вычислительного моделирования СО РАН; постановлением Президиума Российской академии наук от 13.03.2001 № 78 — в Научно-исследовательское учреждение Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук; постановлением Президиума Российской академии наук от 20.04.2004 № 132 — в Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук; постановлением Президиума Российской академии наук от 18.12.2007 № 274 — в Учреждение Российской академии наук Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН.

В соответствии с постановлением Президиума Российской академии наук от 13.12.2011 № 262 «Об изменении типа учреждений, подведомственных Российской академии наук, и их переименовании» Институт изменил тип учреждения и был переименован в Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук.

В соответствии с приказом Федерального агентства научных организаций от 21.02.2016 № 73 «О реорганизации Федерального государственного бюджетного учреждения науки Красноярского научного центра Сибирского отделения Российской академии наук» Институт был реорганизован в форме присоединения к Федеральному государственному бюджетному учреждению науки Красноярскому научному центру Сибирского отделения Российской академии наук.

С 1 августа 2016 года и по настоящее время Институт является обособленным подразделением Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук» (далее — Центр).

Институт в своей деятельности руководствуется Гражданским кодексом РФ, другими правовыми актами, Уставом Центра, Положением об Институте вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук обособленном подразделении ФИЦ КНЦ СО РАН, утвержденным директором Центра 15.10.2018 (далее — Положение), иными локальными правовыми актами Центра.

Институт осуществляет свою деятельность по согласованию с Центром, во взаимодействии с Минобрнауки России, иными федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органами местного самоуправления, Федеральным государственным бюджетным учреждением «Российская академия наук» (далее — РАН), государственными и общественными объединениями, профессиональными организациями, иными юридическими и физическими лицами.

Институт является подразделением Центра, территориально обособленным от него, и осуществляющее часть функций Центра, указанных в Положении.

Институт не является юридическим лицом, действует от имени Центра на основании Положения, утвержденного директором Центра.

Институт ведет самостоятельный баланс в структуре сводного баланса Центра, имеет лицевые счета в территориальных органах Федерального казначейства.

Институт имеет печать со своим наименованием, указанием на принадлежность к Центру, иные необходимые для его деятельности печати, штампы, бланки, символику, зарегистрированные в установленном порядке.

Официальные наименования Института на русском языке (с 01.08.2016 г.):
полное — Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук — обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН;
сокращенное — ИВМ СО РАН; «Институт вычислительного моделирования СО РАН»;
на английском языке:
полное — Institute of Computational Modelling of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences;
сокращенное — ICM SB RAS.

Место нахождения Института: 660036, г. Красноярск, Академгородок, д. 50, стр. 44.

Российская академия наук осуществляет научно-методическое руководство деятельностью Института. В соответствии с постановлением Президиума РАН от 25.12.2007 № 291 Институт структурно относится к Отделению нанотехнологий и информационных технологий РАН (секция информационных технологий и автоматизации).

В соответствии с постановлением Президиума СО РАН от 06.11.2008 № 571 Институт работает под научно-методическим руководством Объединенного ученого совета по нанотехнологиям и информационным технологиям СО РАН.

Основной задачей Института является организация и проведение фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований по направлениям естественных, технических наук в области математического моделирования и информационных технологий, направленных на получение новых знаний о законах развития природы, общества, человека и способствующих технологическому, экономическому, социальному, духовному развитию Российской Федерации.

Институт осуществляет проведение фундаментальных, поисковых и прикладных научных исследований по направлению «Информационно-вычислительное моделирование сложных процессов и систем», в том числе:

• математическое моделирование и анализ природных, социальных и технологических процессов, в том числе с применением высокопроизводительных вычислительных комплексов новых поколений;
• теоретическое и экспериментальное обеспечение разработки перспективных космических технологий и техники;
• создание информационно-управляющих систем на основе интеграции технологий обработки данных, геоинформационного моделирования и поддержки принятия решений.

В каждом из этих направлений сотрудникам Института принадлежит ряд значительных достижений.

С 2021 года в Институте в рамках государственного задания выполняются три проекта:

1. Математическое моделирование поведения неидеальных сред с границами раздела в природных и технических средах. Руководитель проекта главный научный сотрудник Института д-р физ.-мат. наук, проф. Андреев В. К.;
2. Комплексное математическое, информационное, вычислительное моделирование сложных технических, физических, производственных процессов и систем. Руководитель проекта руководитель научного направления «математическое моделирование» Центра член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.;
3. Методы и технологии комплексного анализа сложных природных и антропогенных экосистем на основе интеллектуальной обработки данных, средств геоинформационного и математического моделирования, сервисов распределенных вычислений и цифрового мониторинга. Руководитель проекта заведующий отделом № 4 Технологий мониторинга природной среды канд. физ.-мат. наук Якубайлик О. Э.

В каждом из этих направлений сотрудникам Института принадлежит ряд значительных достижений.

В 2022 году в Институте в рамках государственного задания выполнялись три проекта:

1. Математическое моделирование поведения неидеальных сред с границами раздела в природных и технических средах; руководитель проекта главный научный сотрудник Института д-р физ.-мат. наук, проф. Андреев В. К.;
2. Комплексное математическое, информационное, вычислительное моделирование сложных технических, физических, производственных процессов и систем; руководитель проекта директор Института член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.;
3. Методы и технологии комплексного анализа сложных природных и антропогенных экосистем на основе интеллектуальной обработки данных, средств геоинформационного и математического моделирования, сервисов распределенных вычислений и цифрового мониторинга; руководитель проекта заместитель директора по научной работе Института канд. физ.-мат. наук, доцент Якубайлик О. Э.

В рамках проекта, выполняемого под руководством проф. Андреева В. К., в 2022 году проводились исследования по пяти направлениям.

1. Исследована структура непрерывных алгебр Ли для спецификаций сил плавучести в уравнениях Обербека — Буссинеска. Изучены классы бесконечномерных групп Ли, допускающих каноническую структуру. Построены точные обобщенные функционально-инвариантные решения волнового уравнения с переменной скоростью звука.
2. Построены карты режимов течений и устойчивости в двухслойных жидкостных системах в пространстве физических параметров состояния.
3. Построены карты температурного режима в болотно-озерных ландшафтах вечной мерзлоты. Исследованы трехмерные гидродинамические режимы течений в озере Шира.
4. Разработаны расчетные методики, включающие описание алгоритмов и программ для решения квазистатических задач механики анизотропных слоистых пластин и оболочек из композитных материалов, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию. Построены определяющие уравнения многослойных упругих и вязкоупругих микрополярных пластин и оболочек, учитывающие микроструктуру материала. Созданы параллельные вычислительные алгоритмы на основе метода двуциклического расщепления по пространственным переменным для решения задач динамической теории упругости. Разработаны компьютерные программы с распараллеливанием вычислений для суперкомпьютеров графической архитектуры для анализа поведения жидких кристаллов в неоднородном электрическом поле.
5. Предложены методы решения задач безопасного функционирования природных и технических систем. Проанализирован разброс элементов множеств решений, выполнена оценка областей притяжения решений и показателей Ляпунова. Разработан метод определения точек пространства параметров, в которых нарушается хотя бы один из критериев устойчивости. Разработан метод построения границ в пространстве состояний, на которых некоторые параметры являются критическими. Выполнена программная реализация методов оценки устойчивости множеств решений, определения граничных и предельных траекторий в рамках математических моделей природных и технических систем с возмущающими и управляющими воздействиями.

По проекту, выполняемому под руководством члена-корреспондента РАН Шайдурова В. В., в 2022 году проводились исследования по четырем разделам.

1. В разделе «Математическое моделирование процессов и устройств в условиях ближнего космоса» представлена модель электрических полей и токов Глобальной электрической цепи Земли, проведено математическое моделирование диссипативных процессов, вызывающих генерацию электрического поля на границе и в хвосте магнитосферы. Приведены также алгоритмы, реализующие длительное движение спутника по возмущенной орбите с выбором симметричных методов интегрирования уравнений движения.
2. В разделе «Математическое моделирование физических процессов и устройств» выявлены условия максимального усиления локального поля за счет настройки поверхностного решеточного резонанса путем варьирования геометрических параметров периодических структур из резонансных частиц, а также представлены математические модели ионного транспорта в наноструктурированных мембранных материалах под действием электрического поля.
3. В разделе «Исследование больших данных, обнаружение новых знаний и прогнозирование состояния сложных систем и объектов» представлены результаты популяционно-эволюционного анализа геномов вирусов семейства Coronaviridae, а также модификации непараметрических алгоритмов автоматической классификации в условиях больших объёмов статистических данных. Предложены метамодель и алгоритмы детализации интегральных оценок для определения причин состояния природно-техногенной безопасности территорий.
4. В разделе «Технологии создания информационно-аналитических систем на основе интегрированных платформ» представлены методические и программные средства поддержки формирования аналитических отчетов в модельно-ориентированной платформе. Представлено программное обеспечение трансформации данных различных форматов для построения аналитической модели. Предложена модель безопасности системы облачных вычислений для различных способов обслуживания, проведено исследование безопасности сервисов корпоративной сети.

В проекте, выполняемым под руководством канд. физ. — мат. наук Якубайлика О. Э., в 2022 году проводились междисциплинарные исследования, ориентированные главным образом на создание информационно-технологического обеспечения для задач мониторинга и оценки состояния окружающей природной среды.

1. Проведены исследования и разработки методического и программного-технологического обеспечения для задач моделирования и оценки состояния природных и антропогенных экосистем. Используемый подход основан на методах геопространственного моделирования и анализа, данных дистанционного зондирования Земли, геоинформационных системах и веб-сервисах, технологиях построения инфраструктуры геопространственных данных. Сформированы интегрированные базы геопространственных данных на исследуемые территории, содержащие природно-климатические, географические и антропогенные характеристики территорий, данные о различных биотопах и природных объектах.
2. Продолжены работы по созданию и модернизации Системы мониторинга воздуха Красноярского научного центра СО РАН. Разработаны новые программные интерфейсы и сервисы системы, проведено обновление серверного оборудования. Значительно расширен перечень подключенных в системы устройств сбора данных — температурные профилемеры МТР-5, датчики температуры воды, сеть видеокамер для регистрации туманов, и проч. Разработано аппаратное и программно-технологическое обеспечение для задач экологического мониторинга с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В составе навесного оборудования БПЛА — набор датчиков, информация с которых записывается в процессе работы на microSD-карту. Создано веб-приложение, обеспечивающее возможность оперативного анализа регистрируемой информации. Проведена сравнительная оценка величин концентраций взвешенных частиц РМ2.5 в приземной атмосфере над территорией города и над акваторией р. Енисей. Для временных периодов от нескольких суток до двух лет показано, что за редким исключением загрязнение над рекой ниже, чем над территорией города. Эта закономерность сохраняется в периоды НМУ и во время загрязнения городской атмосферы дымом лесных пожаров.
3. Исследованы характеристики термического режима реки Енисей в нижнем бьефе Красноярской ГЭС в летний период. Разработана физико-математическая модель, которая учитывает основные физические процессы, влияющие на изменение температуры воды, обмен энергией между водой и окружающей средой. Результаты моделирования соответствуют измерениям на гидропостах, данным спутникового мониторинга. Проведены исследования основных характеристик и особенностей формирования туманов над Енисеем в нижнем бьефе Красноярской ГЭС. Получены статистические данные о метеоусловиях, которые способствуют возникновению туманов охлаждения в летнее время года и туманов парения зимой.
4. На основе бассейнового подхода реализована многоуровневая структура данных по природно-ресурсным характеристикам юга Красноярского края, основанная на иерархической системе водосборного деления территории. Созданы интегрированные базы данных антропогенных экосистем по данным сельскохозяйственных территорий опытно-производственных хозяйств ФИЦ КНЦ СО РАН. На основе проведенного статистического анализа указанных данных получены оценки характеристик исследуемых экосистем.
5. Продолжены исследования в области моделирования пешеходного движения. Впервые для Зимнего дворца Государственного Эрмитажа создана цифровая модель здания; выполнено моделирование эвакуации при пожаре для различных очагов, выполнен анализ расчетов; из условий безопасности определено максимальное единовременное число посетителей, безопасные маршруты, разработаны принципы составления схем эвакуации. В настоящее время реализуется апробация результатов работы в практической деятельности Эрмитажа. Значительное внимание в отчетный период было уделено методам распараллеливания вычислений в решении задач эвакуации при пожаре.

Кроме этого, в 2022 году проводились исследования по следующим проектам, поддержанным научными фондами.

• Проект «Эйлеровы-Лагранжевы (полулагранжевы) методы конечных разностей и конечных элементов со специальными свойствами» поддержан Российским фондом фундаментальных исследований; научный руководитель член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.
• Проект «Развитие динамических математических моделей прогноза критических социально-экономических ситуаций и создание эффективных численных методов решения таких моделей поддержан Российским научным фондом. Научный руководитель член-корреспондент РАН директор ИВМ СО РАН Шайдуров В. В.
• Проект «Трёхмерные конвективные течения с поверхностями раздела и полем скоростей типа Хименца» поддержан Российским фондом фундаментальных исследований. Научный руководитель г.н.с. д.ф.-.м.н., проф. Андреев В. К.
• Проект «Методика и интернет платформа расчета рейтинга качества жизни муниципальных образований Красноярского края в разрезе реализации национальных проектов как инструменты кластерного управления» поддержан Российским фондом фундаментальных исследований совместно с Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель г.н.с. д.т.н., проф. Ноженкова Л. Ф.
• Проект «Разработка непараметрических методов и программных средств структурного анализа статистических данных большого объёма при исследовании временных систем с дискретным контролем в условиях априорной неопределённости» поддержан Российским фондом фундаментальных исследований совместно с Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель г.н.с. д.т.н., проф. Лапко А. В.
• Проект «Гибридные моды в двумерных периодических структурах резонансных наночастиц» поддержан Российским фондом фундаментальных исследований совместно с Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель с.н.с. к.ф.-м.н. Ершов А. Е.
• Проект «Создание математической модели электрического поля в D-слое ионосферы Земли» поддержан Российским научным фондом. Научный руководитель в.н.с. д.ф.-м.н. Денисенко В. В.
• Проект «Термооптические и термоупругие эффекты в рассеянии электромагнитного излучения квазисвязанными состояниями в континууме» поддержан Российским научным фондом совместно с Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель заведующий отделом к.ф.-м.н. Герасимов В. С.
• Проект «Анализ периодов повышенной концентрации загрязняющих веществ в атмосфере Красноярска на основе метеорологических данных реанализа с помощью методов математического моделирования и искусственного интеллекта» поддержан Российским научным фондом совместно с Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель заместитель директора по научной работе Института к.ф.-м.н., доц. Якубайлик О. Э.
• Проект «Построение иерархии моделей испарительной конвекции на основе точных решений» поддержан Российским научным фондом. Научный руководитель заведующий отделом д.ф.-м.н. Бекежанова В. Б.
• Проект «Нелинейные эффекты в рассеянии электромагнитного излучения квазисвязанными состояниями в континууме» поддержан Российским научным фондом. Научный руководитель с.н.с. к.ф.-м.н. Ершов А. Е.
• Проект «Оценка эффективности использования сети недорогих сенсорных датчиков для сбора данных о загрязнениях в пограничных слоях атмосферы на основе анализа наблюдений за динамикой концентрации взвешенных частиц PM2.5» поддержан Красноярским краевым фондом поддержки научной и научно-технической деятельности. Научный руководитель м.н.с. к.ф.-м.н. Петракова В. С.

В 2022 году была продолжена работа Отдела регионального научно-образовательного математического центра «Красноярский математический центр», созданного в 2020 году в ИВМ СО РАН в рамках формирования регионального научно-образовательного математического центра «Красноярский математический центр».

В 2022 главный научный сотрудник ИВМ СО РАН руководитель отдела регионального научно-образовательного математического центра «Красноярский математический центр» Садовский В. М. был избран членом-корреспондентом РАН, а сотрудники Института защитили шесть диссертаций. Из них три диссертации на соискание ученой степени доктора наук:

• Исаева О. С., «Технология интеллектуального имитационного моделирования и анализа функционирования бортовых систем космических аппаратов», научный консультант г.н.с., д.т.н., проф. Ноженкова Л. Ф.;
• Ничепорчук В. В., «Ресурсы и технологии региональных информационно-аналитических систем природно-техногенной безопасности», научный консультант г.н.с., д.т.н., проф. Ноженкова Л. Ф.;
• Степанова И. В., Симметрии и решения уравнений термодиффузии для изучения режимов тепломассообмена в бинарных смесях», научный консультант г.н.с., д.ф.-м.н., проф. Андреев В. К.

Три диссертации на соискание ученой степени кандидата наук:

• Петракова В. С., «Численные методы решения задачи «среднего поля»; научный руководитель член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.;
• Смолехо И. В., «Математическое моделирование динамических процессов в жидких кристаллах с применением технологии CUDA, научный руководитель член-корреспондент РАН Садовский В. М.
• Володько О. С., «Анализ структуры течений в озере Шира в летний период по результатам математического моделирования и натурных измерений», научный руководитель к.ф.-м.н. с.н.с. Компаниец Л. А.

По итогам 2022 года сотрудниками Института написано 85 статей, проиндексированных в международной системе Web of Science Core Collection. Всего сотрудниками Института в 2022 году написано более 165 статей, индексируемых в системах Web of Science Core Collection, Scopus, Web of Science Russian Science Citation Index и в журналах из списка ВАК. Кроме этого, в 2022 году Роспатентом выдано 15 Свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, выполненных сотрудниками Института.