Институт вычислительного моделирования СО РАН

Институт разрабатывает направление «Методы математического моделирования и интеллектуальные информационные системы».

Вычислительный центр Сибирского отделения АН СССР (1975—1997), Институт вычислительного моделирования СО РАН (с 1997).

Институт вычислительного моделирования СО РАН является федеральным государственным бюджетным учреждением науки и частью Красноярского научного центра. Институт осуществляет научно-методическое руководство отделением нанотехнологий и информационных технологий РАН и объединенным ученым советом по нанотехнологиям и информационным технологиям СО РАН.

За институтом закреплено научное направление «Методы математического моделирования и интеллектуальные информационные системы», включающее в себя три раздела:

• методы вычислительной математики и технология математического моделирования для решения задач физики, механики, физической химии;
• интеллектуальные, нейросетевые и геоинформационные технологии, распределенные информационные системы;
• методы математического моделирования и вычислительного эксперимента для обеспечения прочности материалов и конструкций, безопасности сложных систем и объектов.

В настоящее время в институте работают 129 человек, из них 83 научных сотрудника (один член-корреспондент РАН, 26 докторов и 50 кандидатов наук). В аспирантуре обучаются 26 человек.

Институт развивает тесные связи с вузами города. Сотрудники института руководят восемью кафедрами в двух вузах города, на которых проходят специализацию около 400 студентов. Институт целенаправленно привлекает наиболее талантливую молодежь из числа студентов, осуществляет их подготовку с последующим обучением в аспирантуре. Ежегодно в институте защищается около десяти кандидатских диссертаций, часть сотрудников остается в институте, а другие расширяют связи с вузами, предприятиями края, краевыми и городскими органами управления.

Институт также курирует развитие электронной библиотечной системы в городе.

Институт был создан 1 января 1975 г. как вычислительный центр Сибирского отделения АН СССР. Инициатором создания института и его директором-организатором был председатель СО АН СССР академик Г. И. Марчук. Первым директором института стал член-корреспондент РАН В. Г. Дулов, при котором зародилась научная школа по математическому моделированию аэромеханики гиперзвукового летательного аппарата. В течение нескольких лет В. Г. Дулов интенсивно занимался организационными работами, связанными со становлением нового института.

Концепция развития института была основана на сочетании фундаментальных исследований в области вычислительной математики и математического моделирования с их приложениями к решению насущных проблем Красноярского края, организацией массовых вычислений для институтов Красноярского научного центра. Уже в 1978 г. в рамках программы «Сибирь» коллектив приступил к работе по программам «Благородные и редкие металлы, медь и никель Красноярского края», «Аэрокосмические методы исследования природных ресурсов», «Чистый Енисей».

В 1981 г. вычислительный центр получил переходящее Красное знамя Совета министров РСФСР. Это было своеобразным признанием научных достижений учреждения.

В 1983 г. директором института был избран академик Ю. И. Шокин, при котором были развернуты исследования по теории разностных схем, интервальному анализу, волновой гидродинамике, информатике, фундаментальным проблемам конструкционной прочности материалов, машин различного назначения, безопасности сложных технических систем.

Один из результатов этих работ — успешное выполнение контрактов с Международным океанографическим комитетом ЮНЕСКО по созданию «Атласа карт времен добегания волн цунами до ряда пунктов зоны Тихоокеанского побережья», который используется в оперативной работе Международной службы предупреждения о цунами.

В 1990 г. институт возглавил член-корреспондент РАН В. В. Шайдуров. Все эти годы в институте велись работы по теоретическому обоснованию построения оптимальных алгоритмов, анализу математических прикладных задач, исследованию вопросов разрешимости, устойчивости, по разработке эффективных вычислительных методов и конструированию алгоритмов. Получили дальнейшее развитие вычислительные методы на последовательности сеток, позволяющие существенно повысить порядок точности сеточных решений в методах конечных разностей конечных элементов. Исследования в этой области получили широкое признание.

С 1 января 1997 г. за институтом закреплено научное направление «Методы математического моделирования и интеллектуальные информационные системы».

В соответствии с постановлением Президиума СО РАН от 1 августа 1997 г. институт был переименован в Институт вычислительного моделирования СО РАН.

В 2002 г. В. В. Шайдуров был избран действительным членом Европейской академии наук, а в 2003 г. удостоен Государственной премии в области науки и техники.

За последние годы сотрудники института выиграли около 150 грантов отечественных и зарубежных научных фондов, получили девять государственных стипендий для выдающихся ученых России, разработки института отмечены медалью РАН имени А. Мальцева и медалью И. Пригожина, тремя  золотыми и четырьмя серебряными медалями Всероссийского выставочного центра. За этот период издано 39 монографий, опубликовано около 500 работ в рецензируемых изданиях, защищено семь докторских и 46 кандидатских диссертаций.

За прошедшие со дня основания годы в институте получили свое развитие известные научные школы под руководством члена-корреспондента РАН В. Г. Дулова, академика Ю. И. Шокина, члена-корреспондента РАН В. В. Шайдурова и других ученых. Хорошо известны результаты исследований сотрудников института в области изучения магнитосферы Земли, математических моделей в химии, теории искусственных нейронных сетей, моделировании течений жидкостей и газов, в разработке методов решения больших систем алгебраических и обыкновенных дифференциальных уравнений, создании информационных технологий для решения актуальных проблем охраны окружающей среды и безопасности работы больших технических систем.

В последнее десятилетие развилось новое направление нейросетевых и интеллектуальных технологий, которое возглавляет А. Н. Горбань. Эти исследования базируются на разработке искусственных нейронных сетей. В институте созданы алгоритмы и программы быстрого обучения нейронных сетей, которые в десятки раз превосходят по быстродействию известные стандартные аналоги на таких задачах, как классификация и распознавание образов. Применение нейросетей открывает большие возможности в различных практических областях: медицинской диагностике, экологическом прогнозировании, обработке аэрокосмической информации, социально-политическом прогнозировании и финансово-экономических проблемах.

Со дня основания институт занимается моделированием движения газа. В 1975 г. была создана лаборатория численных методов физической газодинамики, которую возглавил А. И. Рудаков. Основным идеологом этого направления был В. Г. Дулов. Под его руководством проведены математические исследования процессов истечения газов с большими скоростями. Построены модели сверхзвуковых струйных течений, даны оценки реальных свойств среды и диссипативных эффектов на структуру и свойства струйных потоков. К 1991 г. это направление приобрело очертания газодинамического конструирования, одновременно развились теоретические и экспериментальные исследования в направлении магнитогазодинамических течений.

Исследования по теории вероятностей и прикладной статистике с начала формирования института возглавил О. Ю. Воробьев. Его основные направления исследований — теория случайных множеств и приложения в моделировании. В середине 1970-х гг. он ввел понятия «сет-ожидания» и «сет-медианы» для случайных множеств (теперь они называются сет-среднее и сет-медиана по Воробьеву). В настоящее время исследования сконцентрированы на случайных множествах, формах, фигурах и их средних в общих пространствах с групповой структурой. Новые перспективы открылись в этой области в результате исследований случайно-множественных процессов распространения с использованием визуализационных возможностей компьютеров. Это позволило рассмотреть целый ряд математических моделей в экологии, эпидемиологии, медицине и теории горения.

Исследования по теории групп в институте начались в 1975 г. с приходом доктора наук В. П. Шункова. Его работа в этой области началась еще в Уральском университете. Основные исследования в области бесконечных групп были связаны с изучением локально-конечных групп конечного ранга, групп с конечной инволюцией и некоторых групп Фробениуса. В начале 1970-х гг. В. П. Шунков решил проблему М. И. Каргаполова и проблему О. Кегеля. Во второй половине 1980-х гг. В. П. Шунковым была положительно решена проблема Черникова в классе бипримитивно конечных групп, которая в общем случае имеет известное отрицательное решение.

За два с половиной десятилетия В. П. Шунковым и его учениками разработано новое направление положительной теории периодических групп. Построена теория сопряженно бипримитивно конечных групп, за которыми закрепилось название «группы Шункова». С 1978 г. Шунковым подготовлено 18 кандидатов наук, из которых четверо стали докторами. За достижения в разработке теории локальных конечных групп В. П. Шунков удостоен премии им. А. И. Мальцева, а в 1999 г. он был награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» II степени.

Работа над теоретическими проблемами вычислений в институте началась с приходом В. В. Шайдурова, который был приглашен в 1976 г. как теоретик-вычислитель. Все эти годы в институте систематически велись работы по теоретическому обоснованию построения оптимальных алгоритмов; анализу математических постановок прикладных задач, исследованию вопросов разрешимости и устойчивости; разработке эффективных вычислительных методов и конструированию алгоритмов, работающих с гарантированной точностью, устойчивых к вычислительным ошибкам и ошибкам в исходных данных. Вычислительные методы на последовательности сеток позволяют существенно повысить порядок точности сеточных решений в методах конечных разностей и конечных элементов за счет использования нескольких решений стандартных схем с невысоким порядком аппроксимации, построенных с разными шагами сеток. Этот прием, называемый экстраполяцией Ричардсона, был развит и обоснован для широких классов сеточных задач математической физики, что дало возможность повысить точность решений, получаемых многими стандартными пакетами прикладных программ.

Исследования в этой области получили широкое признание, в 2002 г. В. В. Шайдуров был избран действительным членом Европейской академии наук. Им написано 11 монографий и учебных пособий по вопросам теории вычислений. В последних работах, выполненных под его руководством, по созданию новых каскадных и многосеточных алгоритмов решения задач математической физики доказана неулучшаемая характеристика этих алгоритмов.

Теоретические и прикладные исследования в области вычислительной механики деформируемых сред начали развиваться в институте в 1983 г. Эта область исследований зародилась в институте гидродинамики СО АН, откуда прибыла группа сотрудников, руководимых доктором наук Ю. В. Немировским, составившая основу отдела механики деформируемого твердого тела и композиционных материалов. Сейчас эти работы получили свое продолжение в отделе вычислительной механики деформируемых сред, возглавляемом доктором наук В. М. Садовским. Под его руководством получены новые результаты в области изучения обобщенных решений с ударными волнами в теории упругопластических сред, что позволило развить научное направление, связанное с применением вариационных неравенств в динамических задачах теории пластичности. Полученные результаты имеют как теоретическое, так и практическое значение для решения современных прикладных проблем рационального проектирования конструкций, разработки и создания новых композиционных материалов и технологий.

С 1986 г. в институте ведутся фундаментальные исследования по проблемам конструкционной прочности материалов, машин и безопасности сложных технических систем. Интенсивные научные исследования и активное организационное развитие привели к созданию в 1989 г. отдела машиноведения, который возглавил доктор технических наук В. В. Москвичев. Среди наиболее важных результатов, полученных за этот период, отмеченных в перечнях важнейших достижений РАН и представлявшихся на различных выставках и конкурсах достижений науки и техники, можно выделить: создание системы математических моделей расчетно-экспериментальной оценки живучести, прогнозирования надежности и безопасности технических систем; разработку модели предельного состояния комбинированно нагруженных тел с трещинами и структурно-неоднородных композиционных материалов; создание автоматизированной системы прогноза прочности и ресурса; разработку технологических процессов применения нанопорошков для повышения качества изделий машиностроения.

Отдел машиноведения является представителем института и Красноярского научного центра СО РАН в проекте «Партнерство AMSE — РАН» (Американское общество инженеров-механиков — Российская академия наук) по проблемам безопасности технических систем, оценке и прогнозированию остаточного ресурса потенциально опасных объектов, анализу состояния экологической и техногенной безопасности в регионе.

В 1993 г. в институте была создана лаборатория искусственного интеллекта под руководством доктора технических наук Л. Ф. Ноженковой. В 1999 г. на основе лаборатории был организован отдел прикладной информатики. Одним из наиболее важных приложений было создание экспертной системы прогноза и ликвидации аварий (ЭСПЛА) для поддержки принятия экстренных решений в условиях крупных химических аварий на территории Красноярска и края. Система позволяет выполнять расчеты прогноза возможных последствий утечки сильнодействующих ядовитых веществ на предприятиях и в процессе перевозки. Она содержит полную карту-схему города и края и формирует рекомендации по ликвидации аварий, по способам эвакуации населения, по привлечению необходимых сил, средств и ресурсов. Система находится на боевом дежурстве подразделений ГО и ЧС. Другой важной разработкой является Единая информационная система здравоохранения и обязательного медицинского страхования, обеспечивающая централизованное формирование и ведение медицинской информации. На III специализированной выставке-конференции «Информационные технологии в медицине — 2002» (Москва) за разработку системы институту были присуждены четыре золотые и серебряные медали.

Научное направление математических задач оптики в институте основал в 1976 г. доктор наук Н. Я. Шапарев. В 1980 г. была создана лаборатория численных методов математических задач оптики под его руководством, а в 1988 г. он возглавил отдел вычислительной физики. Сотрудниками отдела был разработан новый теоретический подход к исследованию воздействия лазерного излучения на вещество, основанный на методах теории оптимального управления (И. В. Краснов, Н. Я. Шапарев, И. М. Шкедов). Разработаны математические модели оптогальванического явления в плазме и процесса образования плазмы при воздействии резонансного лазерного излучения на газ и металл (А. П. Гаврилюк, Н. Я. Шапарев). Предсказаны и экспериментально подтверждены эффекты поступательной неравновесности резонансного газа и монохроматизации атомных скоростей в поле бегущей электромагнитной волны (И. В. Краснов, Н. Я. Шапарев). Построена теория интерференционных явлений в резонансном световом давлении, на основании которой предсказан и экспериментально подтвержден эффект выпрямления градиентной силы (Н. В. Краснов). Впервые предложена и обоснована идея глубокого лазерного охлаждения плазмы и магнитно-оптическое удержание ультрахолодной плазмы с резонансными ионами (А. П. Гаврилюк, И. В. Краснов, Н. Я. Шапарев).

Лабораторию биологической спектрофотометрии, образованную в 1997 г., возглавляет доктор наук В. Н. Лопатин. В лаборатории проводятся исследования, сущность которых заключается в использовании светового луча в качестве универсального зонда для изучения водных дисперсий (фитопланктона, бактерий и т. д.). Это позволяет определить влияние структуры дисперсий на продуктивность и живучесть водных сообществ, разработать математические модели функциональной организации водных экосистем и провести экспериментальную проверку таких моделей. Для экспериментальной проверки в лаборатории используются оригинальные приборы спектрофотометрического направления, в большинстве своем разработанные и изготовленные под руководством В. Н. Лопатина.

В институте с 1993 г. ведется активная работа по освоению географических информационных технологий, организован технологический центр географических информационных систем, которым выполнен ряд работ по оцифровке карт города, по созданию информационно-справочной системы «СД — Красноярский край», содержащей инвестиционный паспорт края.

Под руководством В. В. Шайдурова ведутся работы в рамках создания Красноярской городской телекоммуникационной сети вузов и научных учреждений. С участием средств гранта научного совета НАТО закончено создание оптоволоконной сети Академгородка и приобретено активное оборудование для ее управления.

Институт вычислительного моделирования СО РАН расположен по адресу: 660036, Красноярский край, г. Красноярск, Академгородок, 50, стр. 44. Сайт: icm.krasn.ru.