Проекты ИПСА НТУУ «КПИ» на 2011 год по линии ГАНИИ

По результатам конкурса в рамках Государственной программы внедрения грид- технологий, проведенного Государственным Агентством по науке, инновациям и информатизации (ГАНИИ)  в апреле в 2011 г., среди других победителей есть следующий проект  ИПСА НТУУ «КПИ» :

Проект ДП/310-2011 «Междисциплинарный комплекс оптимального математического моделирования в грид-среде с автоматическим формированием и решением уравнений соответствующих математических моделей»


Соответствие заданиям Программы :
Задание 4. Разработка и внедрение грид-технологий в науку, промышленность, финансовую, социальную и гуманитарную сферу:
Запад 4.1. Разработка специализированного гридовского программного обеспечения и грид-комплексов для использования во время проведения научных и научно-прикладных исследований.

Цель проекта :
Создать программный комплекс (грид-приложение для использования в грид-инфраструктуре), доступный пользователю через сеть Интернет, который  предоставляет возможность пользователю самому формировать и налаживать маршрут математического эксперимента, то есть выбирать для  выполнения на грид- ресурсах  необходимые для него процедуры и вычисления, включая автоматическое формирование уравнений математической модели задачи. При этом перечень видов вычислений, которые предлагаются,  покрывает значительную часть возможных потребностей в них при решении задач научно- прикладных исследований, например, удаленного моделирования  разных по физической природе  объектов (процессов)  с возможностью формирования макромоделей этих объектов, а также отражение объектов с математическим описанием на основе метода конечных элементов в виде эквивалентных схем замещения варьируемой точности и размеров.

В междисциплинарном комплексе оптимального математического моделирования, который разрабатывается  для сложных научно-прикладных исследований  в грид- среде,  реализуются  оригинальные инновационные численные методы, среди которых метод диагональной модификации для решения плохо обусловленных линеаризованных задач, метод поиска кривой решения для надежного решения нелинейных задач, неявный метод переменного порядка и шага для решения жестких дифференциальных нелинейных уравнений, метод оптимизации переменного порядка, который по возможностям превосходит существующие; метод максимизации коэффициента выхода и другие. Комплекс этих новейших методов  получил диплом первой степени  на конкурсе научно-технических инноваций в отрасли автоматизации проектирования, который всемирно-известная фирма Интел проводила среди ученых стран СНГ в 2005 году. Названные новейшие алгоритмы частично описаны в монографиях  "Algorithmic Analysis of Electronic Circuits" (авторы Petrenko A.I., Sigorsky V.P.), переведенной на английский язык и изданной в США в 1975 году издательством Western Periodical Co., San – Francisco (618 с.), и  "ALLTED - Computer - Aided System for Electronic Circuit Design" (авторы  Petrenko A., Ladogubets V., Tchkalov V., Pudlowski Z)., изданной  в 1997 году издательством UICEE (UNESCO), Australia, Melbourne (204 с.).

Исполнители проекта  имеют  многолетний опыт плодотворной работы в области разработки числовых алгоритмов, интерактивных систем, создания отдельных блоков и целых комплексов автоматизированного моделирования разного назначения. НТУУ «КПИ» был среди главных исполнителей работ по программе «ПРАМ», которые выполнялись согласно соответствующих Государственных программ СССР.  Тогда был создан  отраслевой стандарт ОСТ В3-4776-80 для  Министерства оборонной промышленности в отрасли автоматизированного схемотехнического проектирования, а также  соответствующие стандарты для министерств общего и среднего машиностроения

Междисциплинарный комплекс оптимального математического моделирования, которое разрабатывается, содержит следующее:
1.    Автоматическое формирование математической модели объекта (процесса)  по описанию его структуры и свойств его составляющих в виде алгебро-дифференциальных или дифференциальных уравнений, размеры которых могут достигать 10000 и  которые составляют   математические модели комплексных  объектов и процессов разной физической природы.
2.    Уменьшение размерности сформированной математической модели объекта (процесса)  путем превращения структуры объекта (треугольник - звезда) и получения макромодели объекта.
3.    Статический анализ объекта (процесса) на базе его модели с использованием методов Ньютона- Рафсона, продолжение решения с переменным параметром, поиска кривой решения и проч.
4.    Применение метода диагональной модификации при решении систем линейных уравнений, который предотвращает необходимость переупорядочивания уравнений в случаях нулевых пилотных элементов матрицы и позволяет обрабатывать плохо обусловленные задачи.
5.    Анализ  частотных характеристик объекта (процесса)  на базе его модели путем решения линейных систем уравнений с комплексными коэффициентами и автоматическим определением соответствующих исходных параметров ( полосы пропускания, резонансных частоты и значения и тому подобное).
6.    Анализ динамических режимов объекта (процесса) во временном пространстве на базе его модели путем использования неявных методов переменного порядка (1-6) и переменного шага, а также автоматического определения соответствующих проектных параметров (время задержки, время роста переднего фронта, амплитуда импульса ).
7.    Анализ чувствительности параметров и характеристик объекта (процесса) на базе  его модели во временном или частотном пространствах от изменения параметров внутренних компонентов.
8.    Параметрическую оптимизацию параметров и характеристик объекта (процесса)  на базе  его модели в часовом или частотном пространствах  с использованием новейшего метода переменного порядка(1-4), который вбирает у себя градиентные методы 1-го порядка и квази- ньютоновськие методы переменной метрики 2-го порядка.
9.    Статистический анализ параметров и характеристик объекта (процесса) на базе  его модели в часовом или частотном пространствах  методом Монте - Карло с возможностью оптимизации коэффициента выхода  (годности).
10.    Веб- ориентированный интерфейс пользователя, которой позволяет складывать необходимые маршруты математических экспериментов и содержит визуализатор результатов вычислений в графической форме.
11.    Демонстрация с примерами решения научно-прикладных задач из энергетики, электроники, механики, экологии  и проч.
12.    Учебную систему  составления необходимых маршрутов математических экспериментов.

Сегодня в мире нет признанных прикладных грид-програм для поддержки математического эксперимента во время научно-прикладных исследований.  Междисциплинарному комплексу оптимального математического моделирования в грид- среде, который разрабатывается,  можно противопоставить лишь систему GridModelica (www.ida.liu.se/labs/pelab/modelica/GridModelica.html), которая существенно уступает ему по своим возможностям и параметрам.

На 2011 год запланировано проведение исследований структуры сетевого междисциплинарного комплекса оптимального математического моделирования в грид- среде,  архитектуры программного  интерфейса комплекса и технические требования к реализации функциональных компонентов, а также разработка механизмов интеграции компонентов комплекса при дистанционном формировании маршрутов математического эксперимента  для анализа статичных состояний объекта (процесса) на примере анализа статического состояния объекта (процесса) в грид- среде.

Ожидаемые результаты:
В результате выполнения проекта в 2011-2012  годах будет создан междисциплинарный комплекс оптимального математического моделирования, встроенный в ресурсы национальной грид- инфраструктуры, который обеспечит поддержку  коллективного проектирования или исследования  сложных объектов и процессов разной физической природы распределенной группой разработчиков на свободных ресурсах грид- инфраструктуры с пропускной способностью передачи данных кластер-кластер не менее  10 Гбит/с; и доступный с любого рабочего места национальной грид-инфраструктури, оснащенного обычным браузером.

Предусматривается для научного обеспечения выполнения работы подготовка к изданию коллективной монографии «Проектирования электронных  схем в грид - среде» (в 2012 г.); издание 6-ти научных статей (ежегодно); участие в 3-х конференциях (ежегодно), выставке «Наука - производству» (2012 г.) и т.п.

Отечественные ученые разных ведомств в конце в 2012 года могут получить возможность, не тратя средства на приобретение и налаживание  средств компьютерного моделирования, проводить свои научно-прикладные исследования и разработки на базе междисциплинарного комплекса оптимального математического моделирования, встроенного в ресурсы национальной грид-инфраструктуры. Кроме того, очень вероятна заинтересованность научно-инженерного европейского сообщества в испытании  новой украинской  инновационной разработки, для которой нет полного зарубежного аналога.

В 2011 году по тематике проекта выполнено следующее:

1. Предложена архитектура междисциплинарного комплекса оптимального математического моделирования GridALLTED, базирующаяся на грид-сервисах (разработанных с использованием SOAP, WSDL та UDDI), что позволяет использовать преимущества современных грид-технологий при реализации серверной части на этапе решения задач поиска вычислительных ресурсов, промежуточного хранения данных, обеспечения долговременных расчетов и т.д.
2. Обоснована возможность создания автоматизированного метода построения схемных макромоделей компонентов, описываемых системами обычных линейных и нелинейных дифференциальных уравнений первого порядка, что дает возможность реализовать стандартную проектную процедуру моделирования объектов с компонентами разной физической природы.
3. Усовершенствован метод построения схемных макромоделей компонентов, которые описываются системами дифференциальных уравнений в частных производных, отличающийся от существующего учетом:
- конечности разрядной сетки компьютера;
- большой разницы в значениях элементов матриц C, G, L (до 30 порядков),
что дает возможность получить адекватные схемные макромодели неэлектрических объектов.
4. Доказана работоспособность, точность и эффективность предложенных методов по результатам моделирования в грид-среде многих типовых объектов.

Ukrainian (UA)Russian (CIS)English (United Kingdom)