Отчет ИВМ СО РАН за 2009 год

Программы фундаментальных исследований Президиума РАН

• Программы фундаментальных исследований Президиума РАН
• Проект № 2.17: Алгоритмическое и программное обеспечение для моделирования деформации микроразрушенных и пористых сред на многопроцессорных вычислительных системах
• Проект № 14.7: «Методы и средства OLAP-моделирования»
• Проект 16.3: «Солнечная активность и Космическая погода: динамические процессы в околоземном космическом пространстве и атмосфере Земли, включая экстремальные физические явления и антропогенные факторы»

Программа № 2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация»

Руководитель: академик С. В. Емельянов, академик Ю. И. Журавлев

Руководитель: д.ф.-м.н., профессор В. М. Садовский

Разработан комплекс параллельных программ, представляющий собой набор инструментальных средств для численного исследования задач динамики деформируемых сред с определяющими уравнениями достаточно общего вида на основе явных разностных методов сквозного счета в лагранжевых переменных.

Одна из программ комплекса осуществляет автоматическое построение криволинейных расчетных сеток с помощью кубических сплайнов в плоских и пространственных областях блочной структуры по заданным координатам вершин блоков и касательным векторам к поверхностям раздела в вершинах, с распределением области решения задачи между рабочими процессорами по принципу равномерной загрузки. Универсальность программы достигается за счет произвола в выборе числа неизвестных функций, описывающих изменяющиеся со временем искомые физические поля, а также в возможности задания любого количества слоев, полос в слое и блоков в полосе, числа узлов сетки в каждом из блоков и количества исполняющих процессоров кластера.

Основная программа комплекса выполняет пошаговый расчет задачи, упаковывая решения в контрольных точках в двоичные файлы специального формата, предназначенные для обработки результатов счета в графических редакторах. Распараллеливание вычислений в основной программе производится на этапе расщепления системы уравнений по пространственным переменным. Встраивание математической модели в программный комплекс осуществляется с помощью программных модулей, реализующих определяющие уравнения нестационарной модели, начальные данные и граничные условия задачи.

Программа постпроцессор служит для подготовки файлов — результатов счета в форматах систем графического вывода информации и при использовании удаленного кластера производит сжатие файлов в целях экономии сетевого трафика. В этой программе, в частности, реализованы алгоритмы подготовки файлов для обработки сейсмических данных в системе SeisView.

Предлагаемые инструментальные средства использованы при модернизации созданных ранее прикладных программ численного исследования процессов распространения упругих и пластических волн в сыпучих средах. В качестве примера применения программного комплекса на рис. 33 представлены результаты численного решения серии задач Лэмба о мгновенном действии сосредоточенных сил и моментов на границе полупространства, занятого однородной микрополярной (моментной) упругой средой. Задача решена в трехмерной нестационарной постановке для синтетического полиуретана на 64 узлах кластера МВС-1000. На рисунках изображены схемы нагружения и сейсмограммы падающих волн для перемещений и углов поворота частиц микроструктуры материала. По результатам расчетов идентифицированы четыре типа волн — продольные, поперечные, крутильные и вращательные волны, характерные для сред с микроструктурой. Расчеты пространственных задач подтвердили основное качественное отличие волнового поля в моментной среде по сравнению с классической теорией упругости, которое заключается в появлении колебаний вращательного движения частиц на фронтах волн.

Рис. 33. Задачи Лэмба для моментной упругой среды с четырьмя типами нагружения: а — схема нагружения и сейсмограммы перемещения в направлении оси x₁ и угла поворота в плоскости x₁ x₂ (слева направо) при действии нормальной нагрузки; б — схема нагружения и сейсмограммы перемещения в направлении оси x₂ и угла поворота в плоскости x₁ x₂ при действии касательной нагрузки; в — схема нагружения и сейсмограммы перемещения в направлении оси x₃ и угла поворота в плоскости x₂ x₃ при действий сосредоточенного крутильного момента; г — схема нагружения и сейсмограммы перемещения в направлении оси x₃ и угла поворота в плоскости x₁ x₃ при действии вращательного момента

Основные публикации:

1. Варыгина М. П., Киреев И. В., Садовская О. В., Садовский В. М.
   Программное обеспечение для анализа волновых движений в моментных средах на многопроцессорных вычислительных системах // Вестник СибГАУ. — 2009. — Вып. 2 (23). — С. 104–108.

2. Варыгина М. П., Садовская О. В., Садовский В. М.
   Численное моделирование пространственных волновых движений в моментной упругой среде // I Всерос. конф. «Проблемы механики и акустики сред с микро- и наноструктурой: НАНОМЕХ-2009». — Н. Новгород. — 2009. — С. 39-51. (CD-диск).

3. Садовская О. В.
   Численное решение пространственных динамических задач моментной теории упругости с граничными условиями симметрии // Журнал вычислительной математики и математической физики. — 2009. — Т. 49. — № 2. — С. 313–322.

(Отдел вычислительной механики деформируемых сред)

Программа № 14 «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий»

Руководитель: д.т.н., профессор Л. Ф. Ноженкова

1. Адаптивное управление процессами проектирования и развития хранилищ данных. Разработана методика адаптивного управления процессом проектирования и развития специализированных хранилищ данных на основе известных и предлагаемых методов и алгоритмов. Разработан метод построения модели общей стоимости материализации представлений на основе информации о предметной области. Создан алгоритм выбора релевантных представлений, включая определение релевантных элементов множества представлений и выбор представлений для материализации.

Предложенная методика обеспечивает формализованный подход к разработке хранилищ данных, содержащий комплекс действий, обеспечивающих адаптивное управление процессом проектирования и развития модели данных при изменении параметров функционирования за счет использования специализированной информации о предметной области. Результатом применения методики является хранилище, удовлетворяющее критерию задачи управления. Применение принципа адаптации позволяет создавать эффект приспособления хранилища к изменяющимся условиям эксплуатации и учитывать требования пользователей. Предложенный метод формирования модели общей стоимости материализации обеспечивает оценку стоимости материализации представлений в хранилище данных в случае отсутствия статистической информации о его работе. Предложенный алгоритм выбора релевантных представлений позволяет принимать решения о корректировке модели данных для повышения производительности хранилища, учитывая условия эксплуатации и специализированную информацию о предметной области.

Применение разработанной методики адаптивного управления позволяет повысить качество информационно-аналитической поддержки задач принятия решений в территориальном управлении.

2. Исследование проблем организации оперативного анализа медико-демографических данных. Предложено выполнять построение и наполнение хранилища данных итерационно, основываясь на исследовании предметной области и алгоритмов анализа данных. Исследованы и систематизированы технологические особенности и проблемы, возникающие при многомерной обработке данных. Описано построение набора аналитических и статистических показателей, предназначенных для выявления факторов риска и определения комплекса мер, направленных на снижение показателей смертности.

Предложены решения, позволяющие оптимизировать вычислительные затраты, снизить затраты на разработку и повысить достоверность получаемых результатов. Разработаны алгоритмы расчета показателей на основе средств организации и контроля разнонаправленных проходов вычислительных процедур. При этом в алгоритм вводятся переменные, отвечающие за идентификацию координат набора данных по измерениям, что позволяет выполнять вычисления при переходе по граням гиперкуба. Реализованы вычислительные алгоритмы, учитывающие степень детализации данных при проведении статистического анализа.

Систематизация основных проблем, связанных с унификацией разрозненной информации в хранилище и анализом многомерных данных, позволяет применять разработанные подходы для создания систем поддержки принятия решений регионального управления.

3. Алгоритмическое и программное обеспечение для оперативного тематического геомоделирования в информационно-аналитических системах разработано на основе инртеграции функциональных элементов технологии географических информационных систем (ГИС), систем оперативной аналитической обработки данных OLAP (On-Line Analytical Processing) и экспертных систем.

Разработаны средства метаописания комплекса OLAP-моделей с применением гибридной модели знаний и алгоритмы реализации логического вывода для интеллектуального управления процессом формирования показателей. Разработанный инструментарий позволяет повысить наглядность построения и расчет комплексов OLAP-моделей для сложных задач, автоматизировать построение комплекса взаимосвязанных OLAP-моделей, автоматизировать процессы построения цепочек моделей для выполнения расчетов, обеспечить управление расчетами и многовариантные расчеты.

Средства управления OLAP-моделированием и оперативного геомоделирования нашли применение в решении таких важных задач здравоохранения как анализ сети медицинских учреждений, планирование ее реорганизации, анализ зон медицинского обслуживания, ежегодное планирование медицинской помощи и многих других. Средства оперативного геомоделирования применяются также в системах поддержки принятия решений по предупреждению природных и техногенных чрезвычайных ситуаций. Разработанные средства используются для геомоделирования последствий техногенных аварий, зон затопления при паводках. Оперативный анализ обстановки с применением средств геомоделирования позволяет оценить территориальные масштабы бедствия, принять решения по привлечению сил и средств для ликвидации последствий и оказанию помощи населению, оказавшемуся в районе чрезвычайной ситуации.

4. Предложен подход к построению OLAP-моделей на основе формального анализа терминов предметной области и особенностей решаемых задач. Определены основные этапы моделирования, сформулированы функциональные требования. Для задачи размещения муниципального заказа на основе исследования предметной области и изучения отчетных форм определен перечень запросов, которые должны быть включены в разрабатываемый аналитический куб. Выявлены признаки группировки терминов: одни термины носят сущностный характер и, в соответствии с теорией технологии OLAP, образуют показатели проектируемого куба, а другие являются атрибутивными и должны быть отнесены к множеству измерений. Предложенный подход к построению OLAP-моделей позволяет говорить о возможности построения аналитических онтологий для задач OLAP-анализа.

5. Интеграция OLAP-системы «Аналитик» и программных модулей автоматизированной системы поддержки муниципального заказа выполнена для решения задач аналитической оценки эффективности организации и проведения муниципальных торгов.

Предложен универсальный способ хранения готовых витрин данных в специальном разделе анализируемой базы данных, что позволяет сконцентрировать внимание конечного пользователя на подтверждении или опровержении статистическими данными аналитических гипотез, необходимых для принятия эффективного управленческого решения. Кроме того, сохранение витрин данных в исходном источнике данных открывает дополнительные возможности по многопользовательскому доступу к построенным схемам формирования аналитических моделей для их актуализации и приведения в соответствие с изменяющими потребностями пользователей.

В качестве независимого инструмента формирования и отображения OLAP-кубов предложено использовать автоматизированные рабочие места (АРМ), которые обладают специальным интерфейсом, направленным на работу с уже готовыми аналитическими моделями. АРМ позволяют, при необходимости, независимо от автоматизированной системы проведения муниципального заказа получать доступ к готовым витринам данных и использовать их для аналитической поддержки принятия управленческих решений на основе накопленных данных о результатах размещения муниципального заказа.

Основные публикации:

1. Korobko A., Penkova T.
   OLAP-modeling of municipal procurement automation support problem // Proc. «Knowledge and Ontology *ELSEWHERE*" 17-th Int. Conf. on Conceptual Structures (ICCS'09). — 2009. — Р. 87-91.

2. Бадмаева К. В.
   Алгоритм оценки релевантности представлений для материализации в специализированном хранилище данных // Вестник СибГАУ. — 2009. — Вып. 1(22). — Ч. 2. — С. 60-64.

3. Бадмаева К. В.
   Методика адаптивного проектирования специализированных хранилищ данных // Тр. XIV Байкальской конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении». — Иркутск: ИСЭМ СО РАН. — 2009. — Ч. 3. — С. 214–221.

4. Бадмаева К. В.
   Методика адаптивного управления процессов проектирования и развития специализированных хранилищ данных: Автореф. дис. : канд. техн. наук. — Красноярск: ИВМ СО РАН. — 2009. — 23 с.

5. Бадмаева К. В.
   Формирование стоимостной модели для проектирования хранилищ данных // Материалы VII всерос. научн.-практ. конф. «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». — Оренбург: ОГУ. — 2008. — С. 332–341.

6. Бадмаева К. В.
   Функциональная модель процесса разработки специализированных хранилищ данных // Материалы XI Всерос. научн.-практ. конф. «ПИР-2009». — Красноярск: РИЦ СибГТУ. — 2009. — С. 100–102.

7. Исаева О. С.
   Методы оперативного анализа медико-демографических данных // Вычислительные технологии. — 2009. — Т. 14. — № 1. — С. 85-93.

8. Коробко А. В.
   Проблемы доступности оперативной аналитической обработки в задачах организационного управления // Материалы XI Всерос. научн.-практ. конф. «ПИР-2009». — Красноярск: РИЦ СибГТУ. — 2009. — С. 134–136.

9. Коробко А. В., Ноженков А. В.
   Средства оперативной аналитической обработки данных в системе поддержки размещения муниципального заказа // Тр. XIV Байкальской конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении». — Иркутск: ИСЭМ СО РАН. — 2009. — Ч. 3. — С. 221–226.

10. Ноженкова Л. Ф., Евсюков А. А., Ноженков А. И.
    Методы управления и геоинформационного моделирования в технологии OLAP // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. — 2009. — №2(1). — С. 49-58.

(Отдел прикладной информатики)

Программа № 16 «Окружающая среда в условиях изменяющегося климата: экстремальные природные явления и катастрофы»

Руководитель Программы: академик Н. П. Лаверов

Тема: «Моделирование электрических полей в хвосте магнитосферы и в ионосфере»

Руководитель темы: д.ф.-м.н., профессор Н. В. Еркаев

Магнитогидродинамические «флэппинг» волны проанализированы в токовом слое при наличии малой нормальной компоненты магнитного поля B_z, изменяющейся вдоль слоя. В качестве начального невозмущенного состояния использовалось распределение плотности тока типа Харриса. Получено аналитическое решение для «флэппинг» колебаний, связанных с градиентом нормальной компоненты магнитного поля вдоль токового слоя. Показано, что сдвиговые деформации токового слоя становятся неустойчивыми, если компонента Bz магнитного поля возрастает в некоторой области при удалении от Земли. «Флэппинг» волны могут распространяться лишь в тех областях, где компонента Bz убывает при удалении от Земли. Рассчитаны «флэппинг» волновые колебания, инициированные Гауссовым источником, локализованным в центре токового слоя. Рассмотрены случаи как фиксированного начального возмущения в центре токового слоя, так и движущегося источника в направлении к Земле. Определен конус Маха для «флэппинг» волн от движущегося источника, ассоциируемого с быстрыми потоками плазмы из области магнитного пересоединения.

На основе данных космических аппаратов ACE and Wind проанализирован отклик дальнего магнитосферного хвоста на расстоянии около 220 радиусов Земли на резкое пятикратное падение динамического давления солнечного ветра (от 19.0 нПа до 3.5 нПа) на передней границе магнитного облака от 20 ноября 2003 г. Параметры солнечного ветра определены по данным ACE на орбите в окрестности точки либрации. Данные в области дальнего хвоста получены с космического аппарата Wind, который находился номинально в переходном слое на расстоянии 40 радиусов Земли от линии Земля-Солнце. При этом наблюдались следующие эффекты в удаленном геомагнитном хвосте: существенное расширение магнитосферы, скручивание и сильный наклон плоскости токового слоя. Wind сделал два существенных экскурса глубоко внутрь геомагнитного хвоста. В первом из них он зарегистрировал наличие потока плазмы со скоростью порядка 1200 км/с в направлении хвоста. На дневной стороне магнитосферы взаимодействие внезапного и большого падения динамического давления с головной ударной волной исследовалось на основе трехмерного МГД моделирования.

Основные публикации:

1. Erkaev N. V., Semenov V. S., Kubyshkin I. V., Kubyshkina M. V., Biernat H. K.
   MHD model of the flapping motions in the magnetotail current sheet // J. Geophys. Res. — 2009. — Vol. 114(A03206). — doi:10.1029/2008JA013728.

2. Farrugia C. J., Erkaev N. V., Maynard N. C., Richardson I. G., Sandholt P. E., Langmayr D., Ogilvie K. W., Szabo A., Taubenschuss U., Torbert R. B., Biernat H. K.
   MHD model of the flapping motions in the magnetotail current sheetEffects on the distant geomagnetic tail of a fivefold density drop in the inner sheath region of a magnetic cloud: A joint Wind-ACE study // Advances in Space Research. — 2009. — Vol. 44. — P. 1288–1294.

(Отдел вычислительной математики)