МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ: ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ ЗНАНИЙ
А.Алексеев, академик,
председатель Объединенного ученого совета
по математике и информатике СО РАН.
Б.Михайленко, доктор
физико-математических наук,
директор ИВМиМГ.
Для целенаправленной деятельности человеку нужны материальные и
энергетические ресурсы. Нужны, кроме того, и знания -- что
делать, из чего, как, какие будут последствия?. Знания,
информация, лишь в последние десятилетия осознаны обществом как
особый вид ресурсов. Оценка его стратегического значения в
экономике и духовной жизни общества продолжает возрастать в ходе
развития концепций "информационного общества", "виртуальной
реальности", "инженерии знаний", "интеллектуализации технических
систем", "электронного хайвэя". Принципы накопления и
использования знаний базируются на сетевых, распределенных
технологиях сбора, передачи, обработки и использования информации
в самых различных сферах человеческой деятельности -- на
информационных технологиях.
Такие технологии уже давно складывались в прикладной и
вычислительной математике. Происходит быстрое продвижение их в
различные научные дисциплины, и в этом заслуга и нашего
института.
Современные технологии, к сожалению, еще не проникли в сферы
социально-экономического анализа и управления процессами
экономики и политики. Имеются проблемы с освоением количественных
знаний в трудно формализуемых научных дисциплинах (геологии,
экологии, экономики и т.д.). Здесь для вычислительной математики
и информатики обширное поле деятельности. Главным инструментом в
перспективных задачах такого типа являются универсальные
математические принципы обработки и накопления знаний.
|
|
Директора Вычислительного центра -- Института вычислительной
математики и математической геофизики СО РАН. Справа налево:
академик Г.Марчук -- организатор Bнститута и первый директор с
1964 до 1980 годов; академик А.Алексеев возглавлял Институт с
1980 по 1998 годы; член-корреспондент Г.Михайлов -- руководил
ИВМиМГ с декабря 1998 года по май 1999 года; доктор
физико-математических наук Б.Михайленко директор института в
настоящее время.
|
Начальный период развития ВЦ СО АН (первые 10 лет) вполне можно
назвать периодом вычислительного романтизма. В обстановке
энтузиазма молодых сотрудников, идейного изобилия и энергичного
руководства со стороны организатора института -- Гурия Ивановича
Марчука, искреннего и всеобщего убеждения в том, что все узловые
проблемы прикладной математики и теории управления не устоят
перед штурмом вычислителей и программистов, вооруженных быстро
совершенствующимися ЭВМ. Интенсивные усилия были приложены к
задачам бионики, машинного перевода, распознавания образов,
искусственного интеллекта, доказательства теорем.
Не все планы сбылись. Но был накоплен опыт решения ряда реальных
проблем и испытана радость отдельных побед. Хотя и сейчас многие
законы и принципы информатики как науки нам неизвестны, мы можем
гордиться тем, как много сделано нашим коллективом за 35 лет в
области развития вычислительного дела.
Это, во-первых, замкнутая технология последовательно численного
моделирования в физике атмосферы и океана, в оптике атмосферы.
Здесь был сделан широкий идейный прорыв в технологии
математического моделирования (дискретизация уравнений с учетом
физических законов, адаптация разномасштабных данных,
использование ценности информации и качества моделей, анализ
чувствительности моделей к параметрам и т.д.), который породил
много конкретных численных моделей и стал платформой для целого
спектра глобальных и региональных моделей физики атмосферы и
океана, переноса излучения и физико-химических компонент,
загрязняющих среду. Если отмечать трудности, то главная здесь,
пожалуй, -- отсутствие соответствующих супер-ЭВМ, оперативного
информационного обеспечения задач и усложнение процессов
кадрового развития.
Большой комплекс работ проделан по развитию и широкому применению
методов Монте-Карло, по системному моделированию оптоэлектронных
и электромагнитных элементов; по решению сложных прямых задач
геофизики и динамической теории упругости; по задачам переноса
излучения и моделирования химических процессов; по имитации
информационно-вычислительных систем; по машинной графике; по
широкому спектру численных методов математики; по теории
программирования и архитектуре ЭВМ.
Менее решительно шло развитие численных методов в других
направлениях, в частности, в моделях геофизики, где обратные
задачи из-за своей теоретической новизны и своеобразия требовали
дополнительных методологических и аналитических усилий. Но, все
же, по многим направлениям прикладной и вычислительной
математики, не имея супер-ЭВМ, ориентируясь на супер-алгоритмы,
нам удалось выйти и пока удерживаться на уровне лучших мировых
достижений.
Существенное развитие получило направление имитационного
моделирования информационных систем, теория телекоммуникационных
сетей, параллельных вычислений и архитектуры многопроцессорных
систем.
Развивалась геофизическая и социальная информатика.
В этих направлениях у нас сложились научные школы и сильные
исследовательские группы. Настолько сильные, что способны были
работать как самостоятельные небольшие, но мобильные институты.
Когда академика Г.Марчука назначили председателем
Государственного комитета по науке и технике СССР (затем он стал
президентом АН СССР), он переехал в Москву вместе с большой
группой квалифицированных специалистов и организовал сначала
отдел, а затем Институт вычислительной математики. Академик
Н.Яненко с отделом механики глобально видоизменил уровень
вычислительного дела в ИТПМ СО АН. М.М.Лаврентьев с отделом
условно-корректных задач создал сильную школу мирового уровня в
ИМ СО РАН. Несмотря на большой отток кадров в ту пору и сейчас,
мы не только, как говорится, не потеряли лица одного из ведущих
институтов РАН в области прикладной и вычислительной математики и
информатики, но и закрепили свой авторитет.
При кадровой и научной поддержке ВЦ были созданы аналогичные по
методической направленности в вычислительную математику и
информатику институты ВЦ в Красноярске, Иркутске и крупные отделы
близкой направленности в Томске, Якутске, Омске. В 1980-х годах
эти "точки роста" стали региональными Сибирскими Центрами
"Академсети" -- первой межкомпьютерной глобальной сетью в Сибири.
Будучи ориентированными на развитие технологии и математического
моделирования и разработку эффективных численных методов для
решения научных задач разных дисциплин, сеть этих организаций
образовала первичную инфраструктуру информатизации СО АН. Она
имела большое значение для формирования высокого уровня
вычислительного дела в науке и образовании Сибирского региона.
Тогда же, в восьмидесятых, произошли важные события для развития
технологии обработки знаний в СО АН. Были реализованы и сданы в
эксплуатацию проекты ВЦКП и подсистемы "Сибирь" Академсети,
начатые еще в середине семидесятых. Это оказалось равнозначным
созданию "нулевого цикла" глобальной и региональной систем
информатизации научных исследований в Сибири.
Фактически заново наметились пути создания основных структур
технологии обработки знаний в Новосибирском научном центре с
постепенным расширением распределенной обработки данных и
дистанционного доступа к разнообразным
информационно-вычислительным ресурсам Сибирского отделения.
Наметились также контуры информатизации Сибири, крупнейшего и
экстремально сложного в этом аспекте региона России.
Вторым важным направлением участия ВЦ СО РАН (ИВМиМГ) в развитии
научно-образовательного и в освоении природно-ресурсного
потенциалов Сибири было направление математической геофизики.
Исследования по физике атмосферы и океана опирались на весьма
совершенные и полные численные модели динамики этих глобальных
объектов. Континентальный тип атмосферы и климата Сибири создают
специфические проблемы при моделировании климата и прогнозе
погоды.
В области физики твердой Земли в Сибири в 60-е годы возникли
проблемы поиска и разработки месторождений нефти и газа,
преимущественно в северных, болотистых регионах. Геологический
молоток добывал здесь мало информации для геологической разведки.
Основную роль играло бурение, подготовленное геофизическими, в
основном, сейсмическими методами разведки. Развитие этих методов
в геофизических организациях Сибири, в части создания новых
эффективных методов в институтах СО РАН, сделало возможным до 80
процентов месторождений нефти и газа обнаруживать на основе
сейсмических данных, без опережающего бурения. Это обстоятельство
сэкономило настолько крупные средства, что расходы на создание
Сибирского отделения окупились уже только за этот счет.
О вкладе Сибирского отделения в решение проблем нефтяной отрасли
сейчас уместно вспомнить, осознавая роль сибирской нефти в
неустойчивой экономике России.
Институт ВМиМГ совместно с другими институтами СО РАН активно
участвовал в создании эффективного комплекса методов нефтяной
сейсморазведки. Об этом говорит даже не полный перечень наших
оригинальных разработок в сейсморазведке:
-- численная реализация лучевого метода определения синтетических
сейсмограмм в неоднородно-блоковых средах сложного строения;
-- численное исследование моделей строения земной коры территории
бывшего СССР на профилях ГСЗ (глубинного сейсмического
зондирования), включая регион Тюмени;
-- решение обратных задач динамических проблем сейсмики;
повышение разрешающей способности методов сейсморазведки;
-- постановка и решение двухмерных обратных кинематических задач
сейсмики;
-- создание численно-аналитического метода вычисления полного
поля в сложной неоднородной среде;
-- открытие и анализ нелучевых сейсмических волн (открытие 1991
года N 402 "Нелучевые волны");
-- создание и применение количественного метода комплексирования
различных геофизических методов (метод совмещенных обратных
задач);
-- создание и практическое применение кинематической схемы
сейсмотомографии, построения разреза земной коры и верхней мантии
от Памира до Байкала.
Поэтому и в последние 10 лет можно было бы найти повод для
некоторых положительных эмоций. Но относить устойчивость
научно-технического уровня института в современных сложных
условиях только за счет усилий сегодняшней и предыдущей дирекции
было бы неверно. Устойчивость института -- это следствие его
системной организации -- вычислительная математика и техника в
нем положены в двуединую основу средств и объектов исследования.
Такая схема всецело заслуга прежнего руководства Сибирского
отделения -- председателя СО АН М.А.Лаврентьева и
директора-организатора ВЦ СО АН Г.И.Марчука. Эволюция этих
системных принципов, происходящая в мире в результате
информатизации общества и автоматизации научных исследований, не
только не оставила нас в стороне, но благодаря профессиональной
подготовленности коллектива, выдвинула, пожалуй, в число
лидирующих коллективов по информатике в ее широком современном
контексте. Круг задач очень широк -- количественное описание
явлений в форме математических моделей; восприятие информации как
математической категории, реализуемой на базе модельного
упорядочения объективных состояний процессов и явлений;
управляемые процессы сбора, передачи, обработки информации;
принципы упорядочения и хранения знаний.
Принципиальные проблемы, находящиеся пока вне науки, связаны с
рациональным использованием накопленной объективной научной
информации. Их осознание в общественном масштабе происходит
сейчас быстро и бесповоротно.
|
|
Подготовка к эксплуатации оборудования Суперкомпьютерного центра
ННЦ СО РАН. Главный специалист института по вычислительной
технике С.Котелевский и сотрудник института геологии кандидат
физико-математических наук О.Жижимов.
|
Таким образом, теперь ясно, что инфраструктура информатизации
общества (сначала науки) должны вырастать из системы центров
проблемно-ориентированной обработки, хранения и отражения
информации. Наш институт в существенной степени готов к такой
функции в нескольких проблемных областях.
Система таких центров, включая Суперцентры коллективного
пользования, должна сначала охватывать фундаментальные и
важнейшие прикладные науки, являясь хранилищем накопленных
фундаментальных знаний: законов, моделей, информации в форме баз
данных, баз знаний и экспертных систем. Сетевая их организация
должна стать ядром вторичных сетей информатизации отраслевой
науки, образования, социально-экономического управления,
социально-бытового информационного обеспечения.
Разработка общеакадемической, а затем и общегосударственной
программы реализации систем глобальной информатизации науки и
общества уже начались. Логика развития ИВМиМГ СО РАН подготовила
нас к их разработке и активной реализации в ряде проблемных
областей. Отделы и лаборатории института целенаправленно
продвигаются к созданию современных компьютеризированных систем
математического моделирования в своих направлениях. Эти системы
становятся в науке актуальной формой реализации научных
результатов в практике.
В связи с 35-летним юбилеем нашего института, хотелось бы
сердечно поблагодарить всех его сотрудников (и нынешних и бывших)
за успешную работу в трудных условиях.
Желаем всем также понимания стратегической важности решаемых
задач, укрепления научной и социальной базы, а также активного
участия в дальнейшем развитии вычислительного дела и
информатизации науки в Сибири.
стр.
| 
