Проекти ІПСА НТУУ «КПІ» на 2011 рік по лінії ДАНІІ

За результатами конкурсу з Державної програми впровадження грід- технологій, проведеному Державною Агенцією з науки, інновацій і інформатизації (ДАНІІ)  в квітні 2011 р., серед інших переможців є наступний проект  ІПСА НТУУ «КПІ» :

Проект  ДП/310-2011 «Міждисциплінарний комплекс оптимального математичного моделювання в грід-середовищі з автоматичним формуванням і вирішенням рівнянь відповідних математичних моделей»

Відповідність завданням Програми:
Завдання 4. Розроблення і впровадження грід-технологій в науку, промисловість, фінансову, соціальну та гуманітарну сферу:
Захід 4.1. Розроблення спеціалізованого грідівського програмного забезпечення та грід-комплексів для використання під час проведення наукових та науково-прикладних досліджень.


Мета проекту:
Створити програмний комплекс (грід-застосування для використання в грід-інфраструктурі), доступний користувачеві через мережу Інтернет, який  надає можливість користувачеві самому формувати і налагоджувати маршрут математичного експерименту, тобто вибирати для  виконання на грід- ресурсах  необхідні для нього процедури і обчислення, включаючи автоматичне формування рівнянь математичної моделі задачі. При цьому перелік видів обчислень, які пропонуються,  покриває значну частину можливих потреб в них при вирішенні задач науково- прикладних досліджень, наприклад, віддаленого моделювання  різних за фізичною природою  об’єктів (процесів)  з можливістю формування макромоделей цих об’єктів, а також відображення об’єктів з математичним описом на основі методу кінцевих елементів у вигляді еквівалентних схем заміщення варійованої точності та розмірів.


В міждисциплінарному комплексі оптимального математичного моделювання, що розробляється  для складних науково-прикладних досліджень  в грід- середовищі,  реалізуються  оригінальні інноваційні чисельні методи, серед яких метод діагональної модифікації для вирішення погано обумовлених лініарізованих задач, метод пошуку кривої рішення для надійного вирішення нелінійних задач, неявний метод змінного порядку і кроку для вирішення жорстких диференційних нелінійних рівнянь, метод оптимізації змінного порядку,  який за можливостями перевершує  існуючі; метод максимізації коефіцієнту виходу та інші. Комплекс цих новітніх методів  отримав диплом першого ступеня  на конкурсі науково-технічних інновацій в галузі автоматизації проектування, який всесвітньо відома фірма Інтел проводила серед вчених країн СНД у 2005 році. Названі новітні алгоритми частково описані в монографіях  “Algorithmic Analysis of Electronic Circuits” (автори Petrenko A.I., Sigorsky V.P.), перекладеної на англійську мову і виданої в США у 1975 році видавництвом Western Periodical Co., San-Francisco, 618 с., і  ”ALLTED -  Computer-Aided System for Electronic Circuit Design” (автори  Petrenko A., Ladogubets V., Tchkalov V., Pudlowski Z)., виданої  у 1997 році видавництвом UICEE (UNESCO), Australia, Melbourne, 204 с.

Виконавці проекту  мають  багаторічний досвід плідної роботи у галузі розробки числових алгоритмів, інтерактивних систем, створення окремих блоків та цілих комплексів автоматизованого моделювання різного призначення. НТУУ „КПІ” був серед головних виконавців робіт по програмі «ПРАМ», що виконувались згідно відповідних Державних програм СРСР.  Тоді був створений  галузевий стандарт ОСТ В3-4776-80 для  Міністерства оборонної промисловості в галузі автоматизованого схемотехнічного проектування, а також  відповідні стандарти для міністерств загального та середнього машинобудування

Міждисциплінарний комплекс оптимального математичного моделювання, що розробляється, містить наступне:
1.    Автоматичне формування математичної моделі об’єкта (процесу)  за описом його структури і властивостей складових у вигляді алгебро- диференційних чи диференційних рівнянь, розміри яких можуть досягати 10000 і  які складають   математичні моделі комплексних  об’єктів і процесів різної фізичної природи.
2.    Зменшення розмірності сформованої математичної моделі об’єкта (процесу)  шляхом перетворення структури об’єкта (трикутник - зірка) і отримання макромоделі об’єкта.
3.    Статичний аналіз об’єкту (процесу) на базі його моделі з використанням методів Ньютона- Рафсона, продовження рішення з зміним параметром, пошуку кривої рішення та інш.
4.    Застосування метода діагональної модифікації при вирішенні систем супутних лінійних рівнянь, який запобігає необхідності переупорядкування рівнянь у випадках нульових пілотних елементів матриці і дозволяє оброблювати погано обумовлені задачі.
5.    Аналіз  частотних характеристик об’єкту (процесу)  на базі його моделі шляхом вирішення лінійних систем рівнянь з комплексними коефіцієнтами і автоматичним визначенням відповідних вихідних параметрів ( смуги пропускання, резонансних частоти і значення тощо).
6.    Аналіз динамічних режимів об’єкта (процеса) в часовому просторі на базі його моделі шляхом використання неявних методів змінного порядку ( 1-6) і змінного кроку, а також  автоматичного визначення відповідних проектних параметрів ( час затримки, час зростання переднього фронту, амплітуда імпульсу ).
7.    Аналіз чутливості параметрів і характеристик об’єкта (процеса) на базі  його моделі в часовому чи частотному просторах від зміни параметрів внутрішніх компонентів.
8.    Параметричну оптимізацію параметрів і характеристик об’єкта (процеса)  на базі  його моделі в часовому чи частотному просторах  з використанням новітнього методу змінного порядку(1-4), який вбирає в себе градієнтні методи 1-го порядку і квазі- ньютоновські методи змінної метрики 2-го порядку.
9.    Статистичний аналіз параметрів і характеристик об’єкта (процеса) на базі  його моделі в часовому чи частотному просторах  методом Монте - Карло з можливістю оптимізації коефіцієнту виходу     ( гідності).
10.    Веб- орієнтований інтерфейс користувача, якій дозволяє складати необхідні маршрути математичних експериментів і містить візуалізатор результатів обчислень в графічній формі.
11.    Демо з прикладами вирішення науково-прикладних задач з енергетики, електроніки, механіки, екології  та інш.
12.    Навчальну систему  з складання необхідних маршрутів математичних експериментів.

Сьогодні в світі немає визнаних прикладних грід-програм для підтримки математичного експерименту під час науково-прикладних досліджень.  Міждисциплінарному комплексу оптимального математичного моделювання в грід- середовищі, що розробляється,  можна протиставити лише систему GridModelica (www.ida.liu.se/labs/pelab/modelica/GridModelica.html), яка суттєво поступається йому за своїми можливостями і параметрами

На 2011 рік заплановано проведення досліджень структури мережевого міждисциплінарного комплексу оптимального математичного моделювання в грід- середовищі,  архітектури програмного  інтерфейсу комплексу і технічні вимоги з реалізації функціональних компонентів, а також розроблення механізмів інтеграції компонентів комплексу при дистанційному формуванні маршрутів математичного експерименту  для аналізу статичних станів об’єкту (процесу) на прикладі аналізу статичного стану об’єкту (процесу) в грід- середовищі.

Очікувані результати:
В результаті виконання проекту в 2011-2012  роках буде створено міждисциплінарний комплекс оптимального математичного моделювання, вбудований в ресурси національної грід- інфраструктури , який забезпечить підтримку  колективного проектування чи дослідження  складних об’єктів і процесів різної фізичної природи розподіленою групою розробників на вільних ресурсах грід- інфраструктури з пропускною спроможністю передачі даних кластер-кластер не менше  10 Гбіт/с; і який доступний з будь-якого робочого місця національної грід-інфраструктури, оснащеного звичайним браузером.

Передбачається для наукового забезпечення виконання роботи підготовка до  видання колективної монографії «Проектування електронних  схем в грід - середовищі» (2012 р.); видання 6-ти наукових статей (щорічно); участь у 3-х конференціях (щорічно), виставці «Наука-виробництву» (2012 р.) тощо.

Вітчизняні науковці різних відомств наприкінці 2012 року можуть отримати можливість, не витрачаючи кошти на придбання і налагодження  засобів комп’ютерного моделювання, проводити свої науково-прикладні дослідження і розробки  на базі міждисциплінарного комплексу оптимального математичного моделювання, вбудованого в ресурси національної грід-інфраструктури. Окрім того, дуже імовірна зацікавленість науково-інженерної європейської спільноти в випробуванні  нової української  інноваційної розробки, для якої немає повного зарубіжного аналогу.

У 2011 році з тематики проекту зроблено наступне:

1. Запропонована архітектура міждисциплінарного комплексу оптимального математичного моделювання GridALLTED, що базується на грід-сервісах (побудованих з використанням SOAP, WSDL та UDDI), що дозволяє використати переваги сучасних грід–технологій при реалізації серверної частини на етапі вирішення задач пошуку обчислювальних ресурсів, проміжного зберігання даних, забезпечення довготривалих розрахунків тощо.
2. Обґрунтовано можливість створення автоматизованого методу побудови схемних макромоделей компонентів, що описуються системами звичайних лінійних і нелінійних диференціальних рівнянь першого порядку, що дає змогу реалізувати стандартну проектну процедуру моделювання об’єктів з компонентами різної фізичної природи.
3. Вдосконалено метод побудови схемних макромоделей компонентів, що описуються системами диференціальних рівнянь в частинних похідних, який відрізняється від існуючого врахуванням:
- скінченності розрядної сітки комп’ютера;
- великої різниці в значеннях елементів матриць C, G, L (до 30 порядків),
що дає змогу отримати адекватні схемні макромоделі неелектричних об’єктів.
4. Доведена працездатність, точність та ефективність запропонованих методів  результатами моделювання в грід-середовищі багатьох  типових об’єктів.

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