Отчет ИВМ СО РАН за 2023 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.

В период с 2021 по 2023 годы в Институте в рамках государственного задания выполнялись три проекта, которые завершились в 2023 году:

Математическое моделирование поведения неидеальных сред с границами раздела в природных и технических средах; руководитель проекта главный научный сотрудник Института член-корреспондент РАН Садовский В. М.;
Комплексное математическое, информационное, вычислительное моделирование сложных технических, физических, производственных процессов и систем; руководитель проекта директор Института член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.;
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 члена-корреспондента РАН Садовского В. М., в период с 2021 по 2023 годы получены результаты исследований по пяти направлениям.

Изучен ряд задач конвекции с целью выделения корректных постановок, позволяющих построить точные решения для описания тепломассообмена в областях с границами раздела, в том числе в условиях фазовых переходов жидкость — пар. Построены новые точные решения, на основе которых изучены особенности конвективных режимов в жидкостных системах, подверженных внешним тепловым воздействиям. Предложен новый метод построения решений дифференциальных уравнений с частными производными, основанный на использовании контактных отображений и позволяющий получить новые симметрии уравнений механики.
Сформулированы условия на входные данные, обеспечивающие устойчивость нестационарных точных решений уравнений движения вязкой теплопроводной жидкости в приближении Обербека — Буссинеска, описывающих динамику двухслойных систем при воздействии внешних тепловых напоров. Разработаны и реализованы вычислительные алгоритмы для построения точных в групповом смысле трехмерных решений и расчета конвективных режимов.
Разработана математическая модель для описания годового термического режима вечной мерзлоты, основанная на стратификации мерзлотного слоя по вертикальной координате по составу несущей фазы и использовании входных параметров, полученных на основе данных натурных измерений. В системе ROMS (Regional Oceanic Modeling System) проведено численное моделирование динамики течений в глубоководном водоеме, индуцированных ветровым воздействием. Изучено влияние различных сценариев ветровой нагрузки на структуру течений и параметры возбуждаемых внутренних волн.
Разработаны математические модели для описания процессов зарождения и продвижения трещин в межблочных прослойках на основе силового критерия и интегрального критерия трещинообразования. Предложены вычислительные алгоритмы и программы, реализующие эти модели на многопроцессорных системах кластерной архитектуры. Получены результаты расчетов распространения системы трещин по мере прохождения волн в блочном массиве горных пород. Проведено сравнение с расчетами по деформационному критерию трещинообразования.
Усовершенствована вычислительная технология вероятностного анализа сейсмической опасности, а также алгоритмическое и программное обеспечение для расчета параметров модели сейсмического воздействия. Получены результаты исследования моделей в задачах сейсмического мониторинга природных и технических объектов (структурно неоднородных грунтовых массивов, зданий и сооружений), которые могут служить индикаторами подготовки сильных сейсмических событий.

По проекту, выполняемому под руководством члена-корреспондента РАН Шайдурова В. В., в период с 2021 по 2023 годы получены результаты исследований по четырем разделам.

В разделе «Математическое моделирование процессов и устройств в условиях ближнего космоса» рассмотрены математические модели ионосферных электрических полей и токов как фрагменты общих ионосферных моделей. Исследованы условия генерации электрического поля в токовом слое на границе и хвосте магнитосферы на основе диссипативной МГД-модели. Разработана математическая модель для выявления тепловых полей блоков бортовой радиоэлектронной аппаратуры по показаниям встроенных датчиков с целью локализации положения и источника возникающих отклонений. Разработаны алгоритмы получения и исследования устойчивых схем предиктор-корректор на основе симметричных линейных многошаговых методов для имитации движения группировки навигационных космических аппаратов. Представлены математические модели диффузии и термодиффузии в смесях для описания экспериментов, проводимых в наземных и космических условиях.
В разделе «Математическое моделирование физических процессов и устройств» рассмотрена математическая модель блока охлаждения для надводных и подводных судов, разработан и изготовлен экспериментальный стенд для определения энергетических характеристик узлов этого блока. Представлен прямой метод загрузки тёмной бихроматической оптической ловушки из равновесной смеси газов при комнатной температуре. Изучена зависимость времени жизни светоиндуцированных ионных кулоновских цепочек от количества ионов и параметров оптической решётки. Представлены модели упорядоченных ансамблей холодных атомных частиц, формируемых и удерживаемых полем коллинеарной суперпозиции косинус-Гауссовских бихроматических лазерных пучков. Выявлены условия максимального усиления локального поля за счет настройки поверхностного решеточного резонанса путем варьирования геометрических параметров структуры. Представлены математические модели ионного транспорта в наноструктурированных мембранных материалах под действием электрического поля, а также модели переноса ионов в нанопористых мембранных материалах под действием разности давлений.
В разделе «Исследование больших данных, обнаружение новых знаний и прогнозирование состояния сложных систем и объектов» представлены алгоритмы выявления аномальных изменений контролируемых параметров, свидетельствующих о нарушении технологических процессов. Описаны модели, позволяющие обнаруживать и прогнозировать технологические нарушения в цикле производства алюминия по значениям контролируемых параметров на основе применения совокупности методов математической статистики, интеллектуального анализа данных и машинного обучения.
В разделе «Технологии создания информационно-аналитических систем на основе интегрированных платформ» представлена архитектура универсальной программной среды обработки данных на основе интеграции инструментов управления и анализа «больших данных». Описан прототип цифровой платформы, поддерживающей полный цикл обработки и интеллектуального анализа данных. Рассмотрены методы, алгоритмы и программные средства, позволяющие реализовать стандартизированный обмен данными между гетерогенными системами. Рассмотрено обеспечение безопасности облачной инфраструктуры Интернета вещей (IoT) и кибербезопасность сервисов на примере корпоративной сети Красноярского научного центра.

В проекте, выполняемым под руководством заместителя директора по научной работе Якубайлика О. Э., в период с 2021 по 2023 годы проводились исследования, ориентированные на создание новых методов и технологий комплексного анализа и оценки состояния сложных природных и антропогенных экосистем. Выполнение работ было основано на применении современных методов математического анализа и обработки данных, проектирования и разработки информационно-вычислительных технологий и программного обеспечения. Теоретические и практические результаты проекта обеспечивают развитие региональных систем экологического мониторинга, формирование инфраструктуры пространственных данных и ГИС-технологий, создание и развитие новых подходов, методов и алгоритмов обработки и анализа данных. Практическая значимость результатов исследований направлена на эффективную организацию природопользования, информационно-аналитическое обеспечение решения актуальных управленческих задач. Основные результаты исследований сгруппированы по трем направлениям.

Методы и модели, технологии комплексного анализа и оценки состояния сложных природных и антропогенных экосистем;
Формирование информационно-вычислительного обеспечения для геоинформационных веб-систем (геопорталов) мониторинга и оценки состояния окружающей среды;
Проектирование и разработка алгоритмов и программ для проблемно-ориентированных информационно-аналитических систем и сервисов.

Получены следующие основные результаты исследований:

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.
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 прочее.
Проведены исследования влияние дымов пожаров на состояние природной среды в г. Красноярске на примере масштабных лесных пожаров в Якутии летом 2021 года. Показано, что образующиеся при сжигании биомассы дымовые аэрозоли поглощают и рассеивают солнечное излучение, тем самым уменьшая величину солнечной радиации достигающей подстилающей поверхности Земли. Обнаружено соответствующее понижение температуры почвы на 5 градусов.
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 и данным спутникового мониторинга.
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.
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

Кроме этого, в 2023 году проводились исследования по следующим проектам, поддержанным научными фондами.

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.
Проект «Электро / баромембранное разделение многокомпонентных растворов электролитов на основе электропроводящих нанофильтрационных мембран» поддержан Российским научным фондом. Научный руководитель в.н.с. д.ф.-м.н. Рыжков И. И.

В 2023 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 2023 инженер ИВМ СО РАН Петраков И. Е. защитил диссертацию на тему «Моделирование упругого деформирования композитных пластин, по-разному сопротивляющихся растяжению и сжатию» на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук.

По итогам 2023 года сотрудниками Института написано 50 публикаций, проиндексированных в международной системе Web of Science Core Collection. Всего сотрудниками Института в 2023 году написано 120 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 2023 году Роспатентом выдано 8 Свидетельств о регистрации программ для ЭВМ, выполненных сотрудниками Института.

К началу