Сегодня институт прикладной математики и информационных технологий БФУ им. И. Канта решает большой спектр как научных, так и образовательных задач. Научная работа идет в самых разных направлениях. И, наверное, самое обширное из них – математическое моделирование.
Суперкомпьютер можно использовать в промышленности и бизнесе
Исторически сильная группа по математическому моделированию сложилась в сегодняшнем институте прикладной математики и информационных технологий. Ее работа связана с темой ближнего космоса: ионосферой, распространением радиоволн, обработкой спутниковых данных, взаимодействием спутников и окружающей плазмы и т. д. Это фундаментальные исследования, в рамках которых институт сотрудничает с разными партнерами, в том числе – институтом прикладной математики РАН и институтом космических исследований РАН. Об основных нам рассказал Леонид Зинин, завкафедрой математического моделирования и информационных систем:
– Мы занимаемся фундаментальными исследованиями. Зачем? Когда Максвелл и Фарадей проводили опыты с электричеством, они тоже не знали, чем завершатся их эксперименты, а в итоге разработали теорию электромагнитного поля, которая сегодня широко применяется. Подобное происходит и с другими исследованиями: любая фундаментальная разработка рано или поздно обретает свою практическую реализацию.
Наши работы имеют прямое отношение к практике. Например, проснулись вы утром и чувствуете себя неважно, не в своей тарелке – в чем причина? Или произошел сбой электронных приборов, навигационного оборудования. А все дело в магнитном возмущении – процессе, который происходит в ионосфере (взаимодействие солнца, солнeчного ветра и земной ионосферы и атмосферы). Земные и технологические процессы, процессы в живых организмах напрямую связаны с ионосферными. И этот факт позволяет многое объяснить.
Сейчас мы реализуем три проекта российского фонда фундаментальных исследований. Они посвящены моделированию ионосферы, магнитосферы, воздействию человека на процессы в них и т. п.
В работе ученые используют современную вычислительную технику. По нацпроекту «Образование» БФУ им. И. Канта закупил огромную сетевую лабораторию, суперкомпьютер – уникальное оборудование для региона. Последний активно применяется в образовательном процессе, научных исследованиях. Например, в работе с геномом (совместно с лабораторией геномных и протеомных исследований БФУ им. И. Канта).
Мы бы хотели, чтобы суперкомпьютер был востребован и крупными предприятиями, промышленностью. Ведь он способен выполнять множество задач, которые помогли бы в развитии: начиная от промышленного проектирования до моделирования самых разных процессов в генной инженерии, микробиологии.
Еще один крупный проект института прикладной математики и информационных технологий – участие в создании IT-кластера – объединение компаний, которые связаны с IT-индустрией.
Сфера IT в регионе хорошо развита: на рынке работает около сотни компаний, и некоторые из них – игроки мирового уровня: производители компьютерных игр, разработчики программного обеспечения и т. д. Мы будем выполнять в проекте образовательную функцию: кластер будет расти, и ему потребуются специалисты – их и подготовит БФУ им. И. Канта.
Математика поможет укрепить берега
Еще одно направление математического моделирования связано и с темой окружающей среды.
– Как происходит математическое моделирование: строятся системы уравнений, подбираются методы. И все для того, чтобы смоделировать физические законы, процессы, при этом сэкономив ресурсы, время и средства, – рассказал Олег Гущин, заведующий кафедрой прикладной математики. – Научное направление «Математическое моделирование в прикладных задачах», которое мы развиваем, объединяет научно-исследовательские работы преподавателей и сотрудников кафедр прикладной математики, компьютерной безопасности, математического моделирования и информационных систем, а также других кафедр БФУ им. И. Канта и ряда научно-исследо-вательских организаций (ЗО ИЗМИР РАН, Атлантическое отделение Института океанологии РАН) и т. д.
Среди прочего мы проводим мониторинг окружающей среды на основе данных автоматической метеостанции на платформе на Д-6 в районе Куршской косы. Обрабатываем данные по ветру, загрязнению и т. д. с помощью специально созданных программ, проводим расчеты и непосредственно моделирование. Все это ложится в основу различных проектов, в том числе и связанных с берегозащитой. Очевидно, что эту проблему необходимо решать. Некоторые ученые обращают внимание на то, что у немцев защита берегов строилась перпендикулярно (обратите внимание на волнорезы), а у нас она идет параллельно. А это не мешает волнам вымывать песок. Математическое моделирование подтверждает эти выводы и дает почву для разработки новых практических проектов.
Наука находит свое применение и в вопросах компьютерной безопасности.
– На кафедре компьютерной безопасности развивается направление защиты информации на алгебраических кривых: мы занимаемся и теоретическими, и практическими вопросами. Итогами становятся публикации, которые выходят в отечественных и зарубежных научных журналах. Научной работой можно назвать и участие наших студентов в различных престижных конкурсах по защите информации: команда БФУ им. И. Канта дважды становилась чемпионом России, – добавил Сергей Алешников, заведующий кафедрой компьютерной безопасности.
Интеллект для робота
Среди новых сфер, которые только недавно попали во внимание университетской науки, – робототехника. В БФУ им. И. Канта создается лаборатория по робототехнике, готовятся и новые образовательные программы по этому направлению.
И интерес калининградцев объясним – тема роботов популярна во всем мире. Особенно после разработки японцев, которые в 2010 году выпустили человекоподобного робота Asimo. Его движения стали более быстрыми, подрос и интеллект – «мозг» машины собирает и оценивает данные от разных сенсоров, которые заменяют зрение и слух, а также воспринимает тактильные ощущения. Мало того, он оценивает ситуацию, реагирует на поведение людей и, в зависимости от него, выбирает свое поведение. Робот распознает людей по голосу и лицу и может распознать голоса даже нескольких человек, которые говорят одновременно.
– Сейчас робототехника развивается в двух направлениях: это человекоподобные роботы (и тут у роботов постоянно совершенствуется и конструкция, и интеллект) и копирующие манипуляторы – когда робот копирует движения человека, на которого надета одежда с датчиками (они незаменимы в атомной промышленности, в местах техногенных катастроф, при разминировании и т. п.), – рассказал к. т. н., доцент Олег Толстель. – Область наших интересов – человекоподобные роботы. Многие группы ученых бьются над созданием сильного искусственного интеллекта – программы, механизма, который способен думать и принимать решения, подобно человеку. Отдельные его часть уже существуют и даже широко применяются – например, функция распознавания лиц в камерах, распознавание речи телефонами и т. п.
Мы пытаемся, используя математику, приложить теорию искусственного интеллекта к роботам. Закупаем готовые образцы – например, скоро у нас появится французский робот Нао (в России он есть только в пяти крупных вузах). Он может ходить, движения приближены к человеческой пластике, а в «глаза» встроены видеокамеры с большим разрешением, которые позволяют Нao воспринимать окружающий его мир. Специальная система распознавания объектов и лиц помогает ориентироваться в пространстве и общаться с людьми. Вместе с другим российскими учеными будем улучшать его возможности, добавляя собственные разработки.
Приобретет университет и робот Р600 российского производства.
– Но это «пустая» оболочка, где упор делался в основном именно на саму конструкцию, без искусственного интеллекта. Мы как раз и будем наполнять его интеллектуальными системами, – поделился Виталий Прукс, выпускник аспирантуры. – На основе этого робота реализуем пять проектов: разработка системы компьютерного зрения, интеллектуальной модели управления, системы динамического равновесия, компьютерной модели робота и манипулятора (подобия руки – по возможностям и устройству). Моя часть работы касается как раз искусственного зрения. Задача – добиться не только распознавания лиц, сторонних объектов, но и слежения за ними (чтобы робот поворачивал голову, корпус). В целом компьютерное зрение работает по схожим с человеческим глазом принципам: сигнал воспринимает сенсор (у нас это сетчатка), дальше по проводу (зрительный нерв) он передается в компьютер (мозг) и там обрабатывается. Современные роботы пока не могут различать визуально эмоции, цвета – все это предстоит сделать.
Официально
Сергей Ишанов, директор института прикладной математики и информационных технологий, доктор физико-мате-матических наук, профессор:
– Преподаватели и сотрудники института прикладной математики и информационных технологий ведут фундаментальные и прикладные исследования во многих областях современной математики и информатики. В институте функционирует Калининградская геометрическая школа и школа математического моделирования, известные в России и за рубежом.
Сущность математического моделирования состоит в замене исследуемого объекта его «образом» – математической моделью – и в дальнейшем в изучении модели с помощью вычислительно-логических алгоритмов на компьютере. Использование высокопроизводительных вычислительных систем резко повысило возможности математического моделирования во многих отраслях знаний, в том числе и в области информационных технологий, связанных с экономикой, государственным управлением и бизнесом.
Еще одно направление – числительное моделирование взаимодействия атмосферы, моря и человека. Решение этой задачи, связанное с разработкой экологических моделей, позволило бы определить влияние практической деятельности человека на окружающую среду и избежать нежелательных последствий такого взаимодействия. Группа ученых разрабатывает математические модели, описывающие протекание физических процессов в атмосферах Земли и других планетных тел, обладающих плотными атмосферами.
Сейчас в институте готовится пакет документов на мегагрант по теме «Расчет сейсмостойкости АЭС на основе прямого численного моделирования» под руководством члена-корреспондента РАН Игоря Петрова, заведующего кафедрой МФТИ.