Отчет ИВМ СО РАН за 2021 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 2016 год его возглавлял член-корреспондент РАН Шайдуров В. В.; с 2016 года и по настоящее время директором Института является д-р физ.-мат. наук, проф. Садовский В. М.

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.

РАН 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 рамках проекта, выполняемого под руководством д-ра физ.-мат. наук, проф. Андреева В. К., в 2021 году проводились исследования по пяти направлениям:

1. Исследование задач конвекции, включая задачи устойчивости течений, и разработка программ для расчёта и средств визуализации движений жидких сред с деформируемой границей раздела (свободной границей) в канонических областях.
2. Теоретико-групповой анализ полуэмпирических моделей турбулентного слоя смешения, уравнений тепломассообмена с учётом эффектов Соре и Дюфура. Построение новых решений интегрируемых моделей Буссинеска. Получение необходимых условий существования классов решений, включающих произвольную функцию и её производные до заданного порядка, для уравнения неоднородной акустики. Построение новых классов точных решений уравнения неоднородной акустики. Проведение теоретико-группового анализа и построение автомодельных решений иерархии моделей дальнего безымпульсного турбулентного следа.
3. Оценка влияния климатической изменчивости на структуру течений солёных озер. Исследование процессов замерзания/оттаивания и биохимических процессов в зоне вечной мерзлоты. Изучение динамики температурного режима в районах вечной мерзлоты с использованием данных наземных и дистанционных измерений температуры поверхностного слоя суши в летний период на основе одномерной в вертикальном направлении математической модели. Разработка и апробация упрощённой математической модели тепломассообмена для описания гидротермики Абаканской протоки. Сценарное моделирование. Построение численной модели взаимодействия биогенных веществ в солёном озере.
4. Анализ геометрически линейной модели динамики жидкого кристалла, основанной на акустическом приближении уравнений вязкоупругого континуума Коссера с конечными поворотами доменных структур. Алгоритмическая и программная реализация модели для вычислительных систем с графическими ускорителями. Применение разработанной вычислительной технологии к моделированию поведения жидкого кристалла под действием механических напряжений, температурных и электрических полей. Разработка алгоритмов численного решения задачи минимизации квадратичного функционала при ограничениях типа равенств ортогонально-проекционным методом в применении к модели Озеена — Франка.
5. Моделирование данных наблюдений природных геодинамических катастроф на основе анализа спутниковых измерений космической системы GRACE над сейсмоактивными районами сильнейших землетрясений. Сравнительный анализ исследуемых изменений параметра EWH по данным наблюдений миссии GRACE с данными новой системы спутников GRACE-FO. Проверка гипотезы о взаимосвязи параметров гравитационного поля Земли с активными сейсмическими процессами в её недрах.

Полученные в 2021 году результаты в проекте, руководимом д-ром физ.-мат. наук, проф. Андреевым В. К., соответствуют поставленным целям и задачам. Качество этих результатов находится на мировом уровне с точки зрения новизны, оригинальности, значимости и точности, а в некоторых задачах и определяет этот уровень. Такие выводы подтверждаются публикациями в ведущих журналах по направлениям проекта, входящих в группы Q1, Q2 международной базы данных Web of Science, в других рейтинговых журналах, а также представлением на международных конференциях. К результатам мирового уровня можно отнести:

1. Построение точных решений уравнения Кадонцева — Петвиашвили, линейных уравнений с переменными коэффициентами, акустики, автомодельных решений для дальних областей плоского, безымпульсного турбулентного следа, уравнений термодиффузии.
2. Разработку и реализацию программного комплекса прямого численного моделирования конвекции в областях с деформируемыми границами, в том числе в условиях фазовых превращений диффузионного типа.
3. Исследование устойчивости нестационарного движения вращающейся струи с учётом сил поверхностного натяжения.
4. Построение математической модели нестационарного поведения и равновесного состояния жидких кристаллов под действием механических, температурных и электрических воздействий и анализ конкретных задач; разработку малоразмерной численной модели для прогноза температуры в талом и мёрзлых слоях и заглубления талого слоя в летний период и её верификацию.
5. Разработку алгоритмов и программных модулей для обработки записей сильных региональных возмущений.

В рамках проекта, выполняемого под руководством члена-корреспондента РАН Шайдурова В. В., в 2021 году проводились исследования по четырем разделам:

1. В разделе «Математическое моделирование процессов и устройств в условиях ближнего космоса» представлены математические модели для выявления тепловых полей блоков бортовой радиоэлектронной аппаратуры по показаниям встроенных датчиков с целью локализации источника возникающих отклонений. Представлены также математические модели диффузии и термодиффузии в тройных смесях, проводимых в наземных и космических условиях, для создания и тестирования молекулярно-кинетических и термодинамических моделей. Выполнено математическое моделирование разделения бинарной смеси в колонне и его устойчивости для случая аномального эффекта Соре, когда тяжелый компонент накапливается вблизи горячей стенки и в верхней части колонны. Изучен перенос ионов через нанопоры мембран, возникающий при разделении смесей, преобразовании энергии, изготовлении химических сенсоров, что актуализирует задачи теоретического исследования данных процессов. В частности, большой интерес представляет изучение мембран, способных менять свои селективные свойства под действием внешних сил, например, электрического поля.
2. В разделе «Математическое моделирование физических процессов и устройств» представлена математическая модель блока охлаждения для надводных и подводных судов на основе термоэлектрических модулей без движущихся частей, которая позволяет определить холодильный коэффициент и холодопроизводительность блока охлаждения при различных условиях работы и вариантах компоновки. Кроме того, 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.
3. 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, в том числе при производстве бортовой аппаратуры космических аппаратов и производстве алюминия. Представлены алгоритмы формирования интегральных оценок состояния природно-техногенной безопасности территорий на основе многолетних наблюдений. Разработаны методы выявления особенностей структурирования и связей выделенных структурных единиц с биологическими свойствами носителей генетической информации (таксономия и функция).
4. В разделе «Технологии создания информационно-аналитических систем на основе интегрированных платформ» для исследования проблем, связанных с безопасностью «больших данных», создаваемых устройствами Интернета вещей (IoT), разработана архитектура имитационной среды, включающая измерительные и коммутационные устройства, а также отказоустойчивый кластер для сбора, интеграции, хранения и анализа данных. Предложен технологический поход к организации обмена данными между гетерогенными системами, заключающийся в применении иерархической унифицированной модели, в терминах которой может быть представлена любая структура данных, и последующем выполнении преобразований унифицированных структур. Разработаны требования к моделям разграничения доступа для облачных сервисов, созданные на основе требований расширенной ролевой модели безопасности для веб-сервисов. Представлены результаты анализа динамики интернет-угроз корпоративных веб-сервисов, в том числе облачных, на примере корпоративной сети Красноярского научного центра. Описан подход к анализу динамики функционирования веб-сервисов и выявлению рисков безопасности, включая влияние пандемии COVID-19. Даны рекомендации для усиления защиты облачных веб-сервисов и снижения рисков кибербезопасности.

В рамках проекта, выполняемого под руководством заведующего отделом № 4 Технологий мониторинга природной среды канд. физ.-мат. наук Якубайлика О. Э., в 2021 году проводились междисциплинарные исследования, ориентированные на создание информационно-технологического обеспечения для задач мониторинга и оценки состояния окружающей природной среды. Приоритетом таких исследований являются новые вычислительные технологии, методики и программное обеспечение для геоинформационных веб-систем и геопространственных веб-сервисов, создаваемое в модульной сервис-ориентированной архитектуре. За отчетный период выполнен полный цикл исследований, запланированных по данному проекту. Среди них:

1. Проведены исследования и разработки методического и вычислительного обеспечения для задач оценки состояния экосистем на основе бассейнового подхода с использованием методов и технологий геоинформационного моделирования. Разработана детальная многоуровневая иерархическая система водосборного деления территории Красноярского края. Разработаны необходимые методы и технологии по созданию, хранению и обработке данных о каждом водоразделе.
2. Исследованы основные характеристики и особенности формирования туманов над Енисеем в нижнем бьефе Красноярской ГЭС. Показано, что в пределах г. Красноярска чаще всего наблюдаются адвективные туманы охлаждения (в летние месяцы) и адвективные туманы испарения (зимой, ранней весной и поздней осенью).
3. Проведен анализ влияния температурных инверсий в приземном слое атмосферы на загрязнение атмосферы г. Красноярска по метеоданным модели реанализа NCEP Global Forecast System и данным наземного экологического мониторинга. Показана прямая взаимосвязь между ними — неблагоприятные метеорологические условия, способствующие накоплению загрязняющих веществ в атмосфере, как правило, обусловлены возникающими над городом температурными инверсиями. Также исследовано влияние скорости ветра и высоты пограничного слоя атмосферы на ситуацию.
4. Выполнены оценки среднегодового уровня загрязнения приземного слоя атмосферы Красноярска и пригорода взвешенными частицами. Показано, что уровень загрязнения города находится в пределах нормативов по российским стандартам, но превышает рекомендуемые нормы Всемирной организации здравоохранения. Расширена система сбора оперативной информации о состоянии атмосферного воздуха в г. Красноярске — добавлено много новых источников исходной информации, модернизирована и оптимизирована структура хранения данных. Выполнены работы по развитию комплекса программных средств геопортала ИВМ СО РАН. В частности, переработана визуальная часть картографического интерфейса и переработана легенда. В легенду добавлены инструменты навигации по данным наблюдения, добавлено тематическое оформление дополнительных слоев, настройка прозрачности каждого слоя, вложенность более одного уровня, и др.
5. Проведены мониторинговые исследования биологических ресурсов в водоемах и водотоках на территории Красноярского края. Выполнена оценка экологического статуса водных объектов методами биоиндикации по структуре донных сообществ; наиболее значимые результаты достигнуты на реках бассейна Енисея и р. Чулым.

В 2021 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».

По итогам 2021 года сотрудниками Института написано более 70 статей, индексируемых в международной системе Web of Science Core Collection. Всего сотрудниками Института в 2021 году написано более 170 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 2021 году подано 7 заявок в Роспатент на получение свидетельств о регистрации программ для ЭВМ.