docProjekty badawcze (IMK WFMIIS) - Wydział Fizyki, Matematyki i
download 
Reklamacja Transkrypt
Projekty badawcze (IMK WFMIIS) - Wydział Fizyki, Matematyki i
PROGRAMY BADAWCZE Instytut Modelowania Komputerowego Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki Stosowanej Politechnika Krakowska Kraków 2009 Spis projektów: 1. Możliwości asocjacyjnego przetwarzania wzorców w dwuwarstwowej morfologicznej pamięci asocjacyjnej ................................................................ 3 2. Rozwój metod inteligencji obliczeniowej opartych na sztucznych systemach immunologicznych. .......................................................................................... 5 3. Rozwijanie metod generacji i adaptacji siatek.................................................. 7 4. The direct and iterative methods for analysis of large finite element problems of structural and solid mechanics for multi-core desktop computers................ 8 5. Rozwój metod formalnych max-plus algebry w systemach uwarunkowanych czasowo. ........................................................................................................ 10 6. Wspomaganie osób niewidomych za pomocą sygnałów akustycznych kodujących obiekty przestrzeni wizyjnej......................................................... 11 7. Numeryczna analiza ustrojów wiotkich z uwzględnieniem więzów jednostronnych............................................................................................... 15 8. Komputerowe filtrowanie wyników symulacji numerycznych i badań eksperymentalnych z wykorzystaniem technik adaptacyjnych i metod bezsiatkowych................................................................................................ 17 9. Automatyzowanie procesu generowania oprogramowania............................ 19 10. Systemy współbieżnych procesów cyklicznych uwarunkowanych czasowo. Modelowanie i wspomagana komputerowo analiza. ...................................... 24 11. Computational kernels for large scale finite element calculations on modern computer architectures. ................................................................................. 26 12. Wieloskalowe symulacje adaptacyjną metodą elementów skończonych na równoległych systemach z procesorami wielordzeniowymi. .......................... 27 13. Wizualizacje wysokiej wydajności wielkich zbiorów danych........................... 28 14. Planowanie przestrzeni o wysokich walorach krajobrazowych przy użyciu cyfrowych analiz terenu wraz z oceną ekonomiczną. .................................... 29 2 Nazwa projektu: Możliwości asocjacyjnego przetwarzania wzorców w dwuwarstwowej morfologicznej pamięci asocjacyjnej Opiekun projektu: Dr Barbara Borowik E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Celem zapamiętywania badań i jest analiza odtwarzania efektywności zaszumionych i procesów uszkodzonych asocjacyjnego wzorców w morfologicznych asocjacyjnych sieciach neuronowych. Jest to stosunkowo nowy typ sieci neuronowych, intensywnie obecnie badany w świecie, wiążący swe początki z algebrą obrazu, a zwłaszcza z nową teorią morfologii matematycznej, pozwalającej na coraz doskonalszą analizę i przekształcanie obrazów o tzw. dużej skali odcieni szarości. Każdy neuron morfologicznej neuronowej pamięci asocjacyjnej dokonuje obliczeń korzystających z elementarnych operacji morfologii matematycznej. W badaniach sprawdzona zostanie jakość procesów asocjacyjnego zapamiętywania i odtwarzania zaszumionych i uszkodzonych wzorców w nowych morfologicznych asocjacyjnych sieciach neuronowych oraz zostanie ona porównana z odpowiadającymi im procesami w tradycyjnych sieciach neuronowych, stosujących w neuronach klasyczne metody obliczeń. Nowatorska klasa morfologicznych sieci neuronowych została wprowadzona w ostatnim dziesięcioleciu. W nowych sieciach operacja mnożenia i dodawania została zastąpiona przez operację dodawania oraz operację maksimum i minimum. Poprzez obliczanie maksimum (albo minimum) sum, zamiast sumy iloczynów – obliczenia morfologicznych sieci neuronowych stają się nieliniowe, zanim zastosowana zostaje nieliniowa funkcja aktywacji każdego neuronu sieci. Stwarza to nowe nadzieje większej jakości sieci neuronowej, zwłaszcza pracującej w roli pamięci asocjacyjnej, która posiada nieporównywalnie większą pojemność od klasycznych pamięci asocjacyjnych, a przede wszystkim jest zbieżna po jednym kroku uczenia. Morfologiczne sieci neuronowe oraz morfologiczne neuronowe pamięci asocjacyjne są obecnie w świecie bardzo intensywnie badane. W badaniach tych przodują m.in. 3 G.X. Ritter, P. Sussner, J.L.D. de Leon, J.N. Wilson, M.E. Valle, P. Serra, L. Pessoa, P. Maragos, Y. Won, P. Gader oraz P. Coffield. Głównym zadaniem badań nad morfologicznymi neuronowymi pamięciami asocjacyjnymi będzie analiza możliwości obliczeniowych i pojemnościowych tych pamięci oraz porównanie ich działania z tradycyjnymi semi-liniowymi modelami. 4 Nazwa projektu: Rozwój metod inteligencji obliczeniowej opartych na sztucznych systemach immunologicznych. Opiekun projektu: Dr inż. Michał Bereta E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Głównym celem planowanych badań jest rozwój metod oraz algorytmów inteligencji obliczeniowej, które zaliczyć można do grupy sztucznych systemów immunologicznych (SSI). Jest to grupa metod obliczeniowych, których działanie inspirowane jest zasadami funkcjonowania systemu immunologicznego wyższych kręgowców. Do najważniejszych paradygmatów systemu immunologicznego wykorzystywanych w SSI należą selekcja klonalna, selekcja negatywna, teoria sieci immunologicznych oraz teoria zagrożeń (ang. danger theory). Zastosowania SSI są bardzo szerokie, począwszy od bezpieczeństwa sieci komputerowych, przez metody uczenia maszynowego aż do metod optymalizacji wielokryterialnej. Celem badań jest rozwój SSI poświęconych szeroko rozumianym problemom rozpoznawania wzorców oraz optymalizacji, zwłaszcza optymalizacji wielokryterialnej. SSI należą do grupy metod ewolucyjnych, takich jak algorytmy genetyczne czy strategie ewolucyjne, które są cenionymi metodami inteligencji obliczeniowej. Rozwiązują one problemy w szczególny sposób polegający na przetwarzaniu populacji osobników, które w przypadku SSI nazywane są sztucznymi limfocytami. Ta ich cecha jest szczególnie przydatna podczas tworzenia komitetów klasyfikatorów, czyli klasyfikatorów, które agregują wiele pojedynczych, tzw. podstawowych klasyfikatorów. Dowiedziono zarówno teoretycznie (do pewnego stopnia) jak i empirycznie, iż tego typu „zbiorowe” klasyfikatory sprawdzają się często lepiej niż pojedyncze klasyfikatory. SSI są tu szczególnie interesujące, pozwalają bowiem wyewoluować od razu cały potrzebny zbiór klasyfikatorów, które podczas rozwiązywania problemu klasyfikacji nie tylko konkurują ze sobą ale również współpracują w celu wspólnego rozwiązania problemu. W przypadku trudnych problemów pozwala to na swoistego rodzaju dekompozycję problemu na podzadania 5 rozwiązywane przez pojedyncze osobniki, które wspólnie są w stanie rozwiązać oryginalny problem. Drugą grupą zagadnień zaliczanych do problemów rozpoznawania wzorców jest grupa algorytmów uczenia nienadzorowanego, między innymi algorytmy grupowania (klasteryzacji), czy też odkrywania zależności w danych. Mimo iż istnieje wiele tego typu algorytmów wciąż powstają nowe. Spowodowane jest to zarówno trudnością samego problemu jak i wymaganiami praktycznymi. Wciąż pojawiają się nowe problemy, z którymi nie radzą sobie dotychczasowe metody. Dobrym i aktualnym przykładem takiego problemu są problemy analizy danych biologicznych. Jednym z problemów bioinformatyki jest analiza mikromacierzy zawierających dane z pomiarów ekspresji genów. Dane takie charakteryzują się przeważnie bardzo dużą liczbą wymiarów rozważanego problemu i niewiadomym zbiorem istotnych genów. Intensywnie rozwijana jest grupa algorytmów grupowania dla tego typu problemów. Są to tzw. metody bi-klasteryzacji (ang. biclustering). Są to zagadnienia bardzo aktualne i wciąż oczekujące na nowe podejścia. Podsumowując, planowane badania obejmują: − projektowanie algorytmów rozpoznawania obrazów dla problemów klasyfikacji oraz grupowania − projektowanie algorytmów generowania komitetów klasyfikatorów za pomocą SSI − rozwój inteligentnych metod obliczeniowych SSI do zastosowania w problemach bioinformatyki 6 Nazwa projektu: Rozwijanie metod generacji i adaptacji siatek. Opiekun projektu: Dr Jan Kucwaj E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Rozwijanie tych metod ma szerokie zastosowanie w obliczeniach naukowych i inżynierskich a także w grafice komputerowej. Dziedzina generowania i adaptacji siatek ze względu na swoje znaczenie jest intensywnie rozwijana przez kilkadziesiąt ostatnich lat, szczególnie interesujące wydają się metody generowanie siatek przestrzennych i powierzchniowych. Powstało wiele metod i dalej istnieje zapotrzebowanie na kolejne wynikające z zastosowań. Powstałe programy komercyjne pozostawiają wiele do życzenia. Badania będą dotyczyć analizy i rozwijaniu istniejących algorytmów jak i tworzeniu nowych. Przewidywane jest też rozwijanie podstaw teoretycznych. Do tego typu badań potrzebne są aktualne generacje komputerów oraz peryferia takie jak np. drukarka oraz istniejące w tej dyscyplinie oprogramowanie. 7 Nazwa projektu: The direct and iterative methods for analysis of large finite element problems of structural and solid mechanics for multi-core desktop computers. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Sergiy Fialko, prof. PK E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: 1. Tworzenie metody bezpośredniej rozwiązywania układów równań, które powstają przy zastosowaniu MES do dużych modeli obliczeniowych mechaniki konstrukcji, orientowanej na systemy obliczeniowe MES dla komputerów biurowych wielordzeniowych. 2. Tworzenie metody iteracyjnej rozwiązywania układów równań MES dla dużych modeli obliczeniowych mechaniki konstrukcji, która ma wysoką stabilność do układów słabo uwarunkowanych. W wiodących programach komputerowych MES (ANSYS, MSC NASTRAN, ADYNA) na dzień dzisiejszy najbardziej uniwersalną metodą dla rozwiązywania zadań mechaniki konstrukcji jest używany solwer multifrontalny. W Polsce w programie Robot Millenium w latach 2000 - 2001 autorem był opracowany solwer multifrontalny w postaci metody podkonstrukcji. Metody iteracyjne najczęściej są zastosowane dla zadań mechaniki ciała stałego, które są uwarunkowane zwykłe znacznie lepiej od zadań mechaniki konstrukcji. W latach ostatnich w związku z istotnym zwiększeniem rozmiaru modeli obliczeniowych dla zadań mechaniki konstrukcji (przede wszystkim – modele konstrukcji budowlanych) obserwujemy istotny wzrost rozmiaru układów równań MES, który na dzień dzisiejszy wynosi 1 500 000 – 5 000 000 równań. To są modele budynków wielopiętrowych, a również zadania z klasy interakcji konstrukcji naziemnej i gruntu. Oprócz tego, w ostatnich latach istotnie zwiększył się interes do analizy zadań nieliniowych, rozwiązanie których są doprowadzone do wielokrotnego rozwiązywania układów równań zlinearyzowanych na każdym kroku iteracji. Inną osobliwością tej klasy zagadnień jest to, że większość użytkowników preferuje liczyć te zadania na komputerach biurowych. Więc jednym z najbardziej atrakcyjnych 8 kierunków rozwoju MES jest tworzenie systemów obliczeniowych, skierowanych na współczesne komputery biurowe wielordzeniowe. Istotną częścią tego jest rozwinięcie solwerów dla podanej klasy zagadnień, orientowanych na komputery o takiej architekturze. Duży rozmiar układów równań wymusza zastanowienie się nad zastosowaniem solwerów iteracyjnych, dlatego, że mają one liniową zależność pomiędzy ilością operacji i rozmiarem zadania. Dotyczy to zadań interakcji pomiędzy budynkiem i gruntem. Priorytety badawcze: 1. Opracowanie solwera bezpośredniego jako metody podkonstrukcji z automatycznym podziałem na poszczególne składowe podkonstrukcje w celu zmniejszenia zapełnień (niezerowych elementów w macierzy sfaktoryzowanej, które powstają na pozycjach zerowych elementów macierzy źródłowej). Solwer powinien ekstremalnie wykorzystać symetrie macierzy dla osiągnięcia wysokiej ekonomii pamięci głównej, powinien pracować w trybie wielowątkowym, używać skuteczną wirtualizację i osiągać wysoką wydajność na poszczególnych procesorach. 2. Opracowanie solwera iteracyjnego na podstawie metody gradientów sprzężonych z wielopoziomowym agregatowym uwarunkowaniem wstępnym, które się bazuje na podstawach mechaniki konstrukcji. 3. Testy tych solwerów na realnych zadaniach mechaniki konstrukcji o dużym rozmiarze. 9 Nazwa projektu: Rozwój metod formalnych max-plus algebry w systemach uwarunkowanych czasowo. Opiekun projektu: Dr inż. Jerzy Raszka E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: 1. Metody analizy systemów czasu rzeczywistego. 2. Metody modelowania systemów czasu rzeczywistego. Cele szczegółowe: 1. Przegląd metod formalnych modelowania systemów czasu rzeczywistego 2. Projekt struktury danych opisujących podstawowe właściwości systemu na gruncie teorii max-plus algebry 3. Synteza równań stanu systemu w oparciu o max-plus algebrę. 4. Graficzny interfejs do wizualizacji dynamiki przebiegu symulowanych. procesów W dziedzinie metod formalnych, w szczególności we francuskich i amerykańskich ośrodkach naukowo-badawczych, obserwuje się rozwój dotychczasowych metod zainteresowanie nowymi metodami (sieci Petriego, max-plus algebra, algebra procesowa), Badania są prowadzone w zakresie ogólnej teorii systemów ze szczególnym uwzględnieniem mikroprocesorowych systemów automatycznego sterowania. Priorytety badawcze: 1. Analiza wymagań i poprawności oprogramowania na gruncie teorii sieci Petriego. 2. Opracowanie biblioteki procedur realizujących operacje MaxPlus algebry. 3. Opracowanie graficznego interfejsu do wizualizacji dynamiki przebiegu cyklicznych procesów. 10 Nazwa projektu: Wspomaganie osób niewidomych za pomocą sygnałów akustycznych kodujących obiekty przestrzeni wizyjnej. Opiekun projektu: Dr inż. Jerzy Białas E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Istnieje szereg systemów i projektów wspomagających osoby niewidome i osoby z upośledzeniem wzroku. Wspomaganie ułatwia bądź wręcz umożliwia poruszanie się w otaczającym środowisku, czytanie, pisanie, korzystanie z komputera, Internetu i różnych urządzeń powszechnego użytku. Istniejące systemy, to głównie realizacje w zakresie szczegółowych rozwiązań, wspomagające w ściśle określonych zastosowaniach. Stosunkowo mało jest prac badawczych mających na celu transformację obrazów na sygnały akustyczne jako wspomaganie niewidomych metodą substytucyjnego wykorzystania sprawnego układu słuchowego. Istotą proponowanego tutaj projektu jest system z bazą wielu sygnałów dźwiękowych o bogatej barwie kojarzących się, przynajmniej osobom widzącym, z określonymi obiektami, przeszkodami itd. Wówczas przestrzenny obraz może być kodowany za pomocą tychże właśnie sygnałów z umiejscowieniem ich w trójwymiarowej przestrzeni dźwiękowej, na podobnej zasadzie, jak słyszane są równocześnie różne odgłosy otoczenia (śpiew ptaka, szmer strumienia, szum drzew itd.) wzajemnie maskujące się w bardzo małym zakresie. Zadaniem systemu generującego odpowiednią przestrzeń dźwiękową, będzie wytworzenie nie tylko sygnałów o określonym spektrum, ale i sygnałów o zmieniającym się spektrum w określony sposób w czasie. Parametry zmienne w czasie, stowarzyszone z dźwiękami bazowymi, będą umożliwiały generowanie sygnałów akustycznych praktycznie w nieskończenie wielu kombinacjach, tak jak nieskończenie wiele kombinacji reprezentuje ułożenie elementów w przestrzeni geometrycznej trójwymiarowej. Brane pod uwagę jest nie tylko położenie poszczególnych obiektów, ale i możliwość kodowania takich cech jak: kolor, faktura powierzchni, struktura obiektu itp. 11 Odpowiednia weryfikacja proponowanych rozwiązań wymagała będzie szczegółowych eksperymentów. Zasadniczo istotny może tu być komfort odsłuchu generowanych dźwięków i czy możliwe będzie odsłuchiwanie ich przez stosunkowo długi czas - kilku godzin bez przerwy, bez nadmiernego zmęczenia odbiorcy. Nieinwazyjne metody wspomagania niewidomych będą znajdywały zawsze należne miejsce niezależnie od postępów w zastosowaniu metod inwazyjnych. Podstawowym celem podjętej pracy jest zbadanie możliwości rozpoznawania przez osoby niewidome elementów wizyjnych na podstawie reprezentujących je sygnałów akustycznych przekazujących informacje szybciej i precyzyjniej niż opis słowny. Brane są pod uwagę wielkości opisujące elementy wizyjne takie jak: gabaryty (wysokość, szerokość, głębokość), kształt, położenie przestrzenne, faktura powierzchni i kolor. Praca obejmuje zbadanie różnych reprezentacji sygnałów akustycznych, umożliwiających jednoznaczną ich syntezę, a także opracowanie własnych rozwiązań w aspekcie przydatności do efektywnego kodowania informacji wizyjnej dostosowanej do potrzeb osób niewidomych. Ważne jest też porównanie istniejących systemów wspomagających osoby upośledzone wzrokowo z zaproponowanymi w tej pracy możliwościami rozpoznawania elementów wizyjnych. Istotnym elementem pracy jest znalezienie zastosowań opracowanych reprezentacji sygnałów akustycznych, jak np. w pracach edukacyjnych i rehabilitacyjnych osób niewidomych lub ze znacznie ograniczonym stopniem widzenia. Użycie odpowiednich sygnałów akustycznych dostarcza osobom niewidomym znaczącą porcję zakodowanej informacji wizyjnej i umożliwia skuteczniej niż za pomocą opisu słownego analizę otoczenia w czasie rzeczywistym. Realizacja pracy wymaga połączenia wiedzy z szeregu dziedzin: przetwarzania sygnałów akustycznych, elektroakustyki, elektronicznej syntezy dźwięku, przetwarzania obrazów, psychoakustyki oraz psychologii osób niewidomych. Głównym celem tego projektu jest opracowanie metody reprezentowania obiektów wizyjnych przestrzeni trójwymiarowej za pomocą „przyjaznych” sygnałów akustycznych i zbadanie zdolności psychofizjologicznych człowieka w aspekcie rozpoznawania w czasie rzeczywistym przestrzeni wizyjnej na podstawie wygenerowanej przestrzeni akustycznej. W zakres realizacji tematu wchodzić będą następujące zagadnienia: 12 - Analiza dotychczas zbadanych właściwości psychofizjologicznych słuchu w powiązaniu z możliwościami reprezentacji przestrzeni wizyjnej za pomocą sygnałów akustycznych. Wzięte pod uwagę zostaną dotychczas zbadane właściwości psychofizjologiczne słuchu człowieka takie jak: zakres słyszanych częstotliwości i natężeń dźwięków, kształt krzywych jednakowej głośności, wartości progowe słyszalności w aspekcie natężenia, częstotliwości, czasu trwania i maskowania sygnału oraz lokalizacja dźwięków w przestrzeni. - Analiza przyczyn i warunków powstawania upośledzenia widzenia i wynikające stąd możliwości rehabilitacji niewidomych. Szczególnie istotne są tutaj możliwości wspomagania osób upośledzonych wzrokowo w poszczególnych rodzajach upośledzenia. - Zestawienie dotychczas zrealizowanych inwazyjnych i nieinwazyjnych metod i projektów wspomagania osób upośledzonych wzrokowo. Uwzględnienie szczególnie prac realizujących kodowanie elementów wizyjnych za pomocą sygnałów akustycznych, wskazanie nowych możliwych rozwiązań i poszerzenie zakresu dotychczas wykonanych. - Wstępny dobór i pierwotne wytworzenie bazy sygnałów akustycznych oraz przyporządkowanie dźwięków elementom przestrzeni wizyjnej o określonych cechach. Możliwe jest wytworzenie wielu baz sygnałów o specyficznych parametrach. W pracy przewiduje się zbudowanie kilku różnych baz i porównanie ich efektywności wykorzystania, co jednocześnie na podstawie analiz może dać obraz kierunku dalszych, bardziej szczegółowych badań. - Opracowanie założeń do systemu komputerowego generowania przestrzeni dźwiękowej na podstawie informacji o przestrzeni wizyjnej – projekt wstępny. - Budowa sparametryzowanych baz sygnałów akustycznych o charakterystycznym widmie, metody optymalizacji odwzorowania obraz-dźwięk, opracowanie kryteriów jakości doboru kodowania - Badanie umiejętności rozpoznawania generowanych złożonych sygnałów akustycznych w aspekcie psychofizjologicznych właściwości słyszenia – dostrajanie baz sygnałów. Zdolność rozpoznawania sygnałów może zależeć od wielu czynników. Badania te mają za zadanie określenie, które czynniki są bardziej istotne i wówczas położenie na nie większego nacisku przy dalszej realizacji tematu. - Opracowanie algorytmów generowania sygnałów akustycznych na podstawie zadanych parametrów przestrzeni wizyjnej. 13 - Numeryczna implementacja opracowanych algorytmów adaptacyjnych systemu za pomocą profesjonalnych narzędzi programowania. - Badanie, wg ustalonego kryterium, efektywności rozpoznawania obiektów z wykorzystaniem poszczególnych baz sygnałów – analiza wyników. Odpowiednia weryfikacja poszczególnych, proponowanych rozwiązań wymagała będzie szczegółowych eksperymentów. Ważne będzie zbadanie czy dostarczane sygnały nie są męczące dla odbiorcy i czy będzie możliwość wielogodzinnego korzystania z takiego systemu. - Określenie, czy zaproponowana baza gotowych dźwięków jest właściwa do rozpoznawania określonych obiektów – istotne są tutaj cechy psychoakustyczne osób niewidomych. - Wyszukanie możliwości wykorzystania własności zbudowanego systemu w innych zagadnieniach, np. w procesie dydaktycznym osób niewidomych i upośledzonych wzrokowo. Do przygotowywania podstawowej bazy dźwięków, określania ich parametrów i klasyfikacji konieczne będzie użycie specjalistycznych urządzeń laboratoryjnych, takich jak: Generator Sygnałów (podstawowych sygnałów: sinusoidalnych, trójkątnych, prostokątnych) i Miernik Zniekształceń Nieliniowych. Natomiast do przeprowadzenia eksperymentów akustycznych i pomiaru efektywności rozpoznawania zadanych obiektów konieczne będą: wysokiej klasy wzmacniacz akustyczny, kolumny głośnikowe i słuchawki akustyczne o specjalistycznej konstrukcji – umożliwiające równoczesny odbiór sygnałów z otoczenia i generowanych poprzez system. 14 Nazwa projektu: Numeryczna analiza ustrojów wiotkich z uwzględnieniem więzów jednostronnych. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Marek Stanuszek, prof. PK E-mail: [email protected] Kadra: Dr hab. inż. Marek Stanuszek, prof. PK Prof. dr hab. inż Janusz ORKISZ Dr inż. Józef KROK Mgr inż. Jan WOJTAS Mgr inż Wiesław BEREZA Charakterystyka programu badawczego: Celem ogólnym badań jest budowa współczesnych narzędzi komputerowych dla wspomagania projektowania wiotkich ustrojów powłokowo – cięgnowych Cele szczegółowe: 1. Budowa algorytmów analizy dużych deformacji ustrojów wiotkich z uwzględnieniem więzów jednostronnych 2. Metody symulacji efektów fałdowania się wiotkich ustrojów powłokowych, cięgnowych i powłokowo-ciegnowych w procesie ich deformacji, 3. Algorytmy uwzględnienia efektów kontaktu pomiędzy cięgnami i powłokami w ustrojach powłokowo – cięgnowych, 4. Budowa komputerowego systemu wspomagania projektowania ustrojów wiotkich przy uwzględnieniu dużych deformacji 5. Implementacja technik aproksymacji kontaktu i fałdowania się wiotkich membran w zagadnieniach biomechaniki w zakresie modelowania pracy pęcherzyków płucnych, procesów starzenia ludzkiej skóry oraz symulacji zabiegu angioblastyki (balonikowania żył w procesie ich przetykania) W proponowanym wymienionych wyżej programie będą zagadnień. badane Szczególnie nowe techniki ważnym będzie aproksymacji odniesienie 15 przeprowadzonych aproksymacji do wyników uzyskiwanych na drodze eksperymentalnej. Przeprowadzenie stosownych symulacji wymaga zastosowania wysoce specjalizowanych stacji roboczych posiadających zarówno dużą moc obliczeniową (bardzo złożone algorytmy iteracyjne) jak również efektywną grafikę (prezentacja wyników symulacji procesów deformacji w czasie rzeczywistym). 16 Nazwa projektu: Komputerowe filtrowanie wyników symulacji numerycznych i badań eksperymentalnych z wykorzystaniem technik adaptacyjnych i metod bezsiatkowych. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Marek Stanuszek, prof. PK E-mail: [email protected] Kadra: Dr hab. inż. Marek Stanuszek, prof. PK Prof. dr hab. inż Janusz ORKISZ Dr inż. Józef KROK Mgr inż. Jan WOJTAS Mgr inż Wiesław BEREZA Charakterystyka programu badawczego: Celem ogólnym badań jest budowa i implementacja macierzowego filtra adaptacyjnego dla weryfikacji i filtrowania danych eksperymentalnych i wyników symulacji numerycznych. W badaniach przewiduje się zastosowanie technik adaptacyjnych oraz metod bezsiatkowych w budowie tzw. "macierzowego filtru adaptacyjnego". Jego głównym zadaniem będzie filtracja danych eksperymentalnych pozwalająca na zminimalizowanie systematycznych i losowych błędów pomiarów określonych wielkości fizycznych jak również weryfikacja wyników symulacji komputerowej eliminująca błędy modelu matematycznego, dyskretyzacji oraz przybliżeń numerycznych, dla spełnienia równań stanu. W tym zakresie opracowane algorytmy i narzędzia pozwolą zarówno na prowadzenie skutecznej analizy złożonych zagadnień formułowanych nierównościami wariacyjnymi jak i na efektywny postprocessing otrzymanych rezultatów. Zbudowane algorytmy dadzą podstawę dla budowy systemu komputerowego pozwalającego na filtrowanie danych z wykorzystaniem automatycznie dobieranej w trakcie analizy siatki węzłów. Dobór siatki będzie się odbywał na podstawie przyjętych w obliczeniach norm i będzie gwarantował uzyskanie narzuconej a'priori dokładności. 17 Realizacja badań wymaga wprowadzenie tzw. modelu adaptacyjnego gdzie właściwości modelu ciągłego zostają określone poprzez dokładne eksperymenty bądź też symulację komputerową na maksymalnie gęstym modelu matematycznym. Modele "dyskretne-rzadsze" upraszczających. będą analizowane przy przyjęciu założeń Po zbudowaniu ciągu modeli, określimy, na podstawie analizy błędu pomiędzy modelami, efektywność modelu "rzadkiego. Tak konstruowana deterministyczna aproksymacja prowadzi do budowy tzw. "macierzowego filtru adaptacyjnego" (Adaptive Matrix Filter -AMF). Przewiduje się taką budowę filtru aby można go było wykorzystać zarówno w adaptacyjnym doborze punktów optymalnych dla efektywnego opracowania (aproksymacji, weryfikacji) wyników, jak również w adaptacji rozkładu punktów pomiarowych wynikającej z przyjętej funkcji gęstości błędu. Proponowane w badaniach podejście pozwala na zupełnie nowe, z punktu widzenia selekcji węzłów pomiarowych, spojrzenie na zagadnienia badań eksperymentalnych jak również opracowania ich wyników. W tym zakresie brak jest, tak na świecie jak i w Polsce narzędzi numerycznych pozwalających na kompleksową analizę badań eksperymentalnych czy wyników symulacji komputerowej uwzględniających wyżej wymienione aspekty. Zespół prowadzi prace w obszarze proponowanych badań od 1993 roku. Jego uznanie w świecie znajduje odzwierciedlenie w licznych cytowaniach. 18 Nazwa projektu: Automatyzowanie procesu generowania oprogramowania. Opiekun projektu: Dr inż. Piotr Zabawa E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Celem badań jest opracowanie różnych podejść do automatycznego generowania oprogramowania, porównanie ich ze sobą, skonfrontowanie ich z istniejącymi rozwiązaniami zgodnymi z Model-Driven Architecture a następnie zbadanie własności zarówno tych rozwiązań jak i określenie pożądanych własności oprogramowania do generowania. W obecnej chwili ogromną wagę zarówno w inżynierii oprogramowania jak i w innych dziedzinach związanych z projektowaniem przywiązuje się do automatyzowania procesu tworzenia artefaktów projektowych w oparciu o modele grafowe. Przykładem jest tu wykorzystanie języka UML do generowania oprogramowania. Ten przykładowy problem można uogólnić na zagadnienie wykorzystania modeli języków grafowych zdefiniowanych z wykorzystaniem MetaObject Facility do generowania artefaktów projektowych. Istniejące koncepcje, za którymi zwykle nie nadążają rozwiązania praktyczne, odnoszą się do koncepcji jawnych transformacji modeli zawartej w standardzie MDA. Zamiast takiego podejścia można jednak zastosować inne oparte na budowaniu właściwej struktury Reusable Assets i zastosowaniu odpowiednich języków wykorzystywanych w procesie generowania artefaktów. Przykładem takiego podejścia jest technologia Component Creator opracowana przez autora projektu. Autorowi znane są więc dobrze własności rozwiązania zaimplementowanego przez niego. Są mu również znane własności rozwiązań opartych na MDA. Tym co jest jednak najbardziej interesujące w omawianej dziedzinie są własności jakie powinno spełniać oprogramowanie do generowania, aby proces jego generowania był jak najbardziej opłacalny z ekonomicznego punktu widzenia. Co więcej, istnieją związki pomiędzy własnościami oprogramowania, które ma zostać wygenerowane a własnościami technologii z której zamierza się skorzystać do jego wygenerowania. Te właśnie związki stanowią istotę badań autora. Wspomniana technologia Component Creator 19 to jedno z wielu możliwych rozwiązań z klasy rozwiązań dualnych do MDA. Kolejnym ważnym celem badań jest uogólnienie podejścia zastosowanego w technologii Component Creator, a następnie zbadanie własności rozwiązań opartych na tym uogólnieniu. Zbadanie własności wspomnianego uogólnionego rozwiązania nie może oczywiście być przeprowadzone w oderwaniu od własności oprogramowania do generowania. 20 Nazwa projektu: Zastosowanie adaptacyjnej metody elementów skończonych typu hp do wspomagania diagnozowania i leczenia chorób tętnic. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Waldemar Rachowicz E-mail: [email protected] Kadra: Dr hab. inż. Waldemar Rachowicz Dr hab. inż. Krzysztof Banaś Dr hab. Andrzej Karafiat Dr inż. Jan Kucwaj Dodatkowy pracownik ze stopniem doktora Dodatkowo: 2-3 doktorantów Charakterystyka programu badawczego: Projekt badawczy jest poświęcony opracowaniu oprogramowania przeznaczonego do symulacji numerycznej zachowania się tętnic ze zmianami chorobowymi (miażdżyca, tętniak) pod wpływem bodźców mechanicznych. Oprogramowanie to znalazłoby zastosowanie do wspomagania diagnozowania chorób tętnic, przewidywania niebezpiecznego rozwoju choroby, oceny współdziałania tkanki tętnicy z wszczepionymi (w celu leczniczym) obiektami medycznymi. Programy symulacji byłyby oparte na metodzie elementów skończonych (MES) z adaptacją typu hp, tj. z możliwością konstruowania siatek dyskretyzacyjnych o nierównomiernych rozmiarach elementów h i nierównomiernych stopniach aproksymacji p, przy czym zarówno h i p mogą zmieniać się anizotropowo. Metoda adaptacyjna hp daje możliwość bardzo szybkiej redukcji błędu dyskretyzacji nawet przy bardzo złożonej geometrii i dużych kontrastach parametrów materiałowych oraz pozwala oszacować dokładność rozwiązania numerycznego. Ta ostatnia jest rozumiana zarówno jako całościowa dokładność rozwiązania (w normie globalnej) jak i jako dokładność wybranych parametrów rozwiązania, np. naprężeń w ustalonych punktach. Wymienione cechy adaptacyjnej MES typu hp stanowią o przewadze tej 21 techniki nad tradycyjną MES z równomiernymi gęstymi siatkami elementów niskiego stopnia, bez możliwości adaptacji i szacowania błędu, która jak dotąd była najczęściej stosowana w obliczeniach biomechanicznych. Aproksymacja geometrii ciał biologicznych w metodzie hp jest dokonywana poprzez triangularyzację zbioru punktów na powierzchni obiektu otrzymanych za pomocą tomografii lub rezonansu magnetycznego. Operację tę uzupełnia się dodatkowym wygładzeniem powierzchni dla osiągnięcia ciągłości wektora normalnej zewnętrznej n, tzw. ciągłości G1 . Otrzymuje się to za pomocą elementów parametrycznych stopnia przynajmniej 4. Zadania projektu badawczego to uogólnienia istniejących procedur rozwiązania, adaptacji hp i oszacowania błędu dla liniowej teorii sprężystości na przypadek tkanek miękkich o silnie nieliniowych związkach konstytutywnych, w warunkach dużych przemieszczeń i odkształceń oraz wykonanie obliczeń numerycznych na testowych problemach klinicznych. Cele szczegółowe: 1. Uogólnienie algorytmu adaptacji hp metody elementów skończonych (MES) na przypadek nieliniowy. 2. Algorytm rozwiązywania zadania nieliniowego geometrycznie w programie adaptacyjnym MES typu hp. 3. Algorytm adaptacji hp dla zadania nieliniowego ukierunkowany na dokładność wybranych parametrów rozwiązania (ang. goal-oriented). 4. Oszacowanie a posteriori błędu rozwiązania skończenie elementowego dla problemu nieliniowego. 5. Oszacowanie a posteriori błędu dla wybranych parametrów rozwiązania skończenie elementowego (ang. goal-oriented). 6. Algorytm obliczeń MES ze złożonymi nieliniowymi związkami konstytutywnymi biomechaniki. 7. Generowanie siatek z ciągłością G1 dla wybranych problemów klinicznych. 8. Rozwiązanie zadań testowych w postaci problemów klinicznych z tętnicą ze zmianami chorobowymi. 9. Rozwiązanie zadań testowych w postaci problemów klinicznych z tętnicą ze zmianą chorobową i wszczepionym obiektem medycznym. 22 Priorytety badawcze: Będą opracowane programy komputerowe do symulacji zachowania tkanki biologicznej tętnicy pod wpływem bodźców mechanicznych. Programy te charakteryzują się bardzo dużą dokładnością symulacji. Za pomocą opracowanego oprogramowania rozwiązywane będą konkretne przypadki kliniczne dla tętnic ze zmianami chorobowymi. Zespół badawczy od blisko 20 lat zajmuje się rozwojem adaptacyjnej metody elementów skończonych i jej zastosowaniami w takich dziedzinach jak mechanika ciał odkształcalnych, mechanika płynów, propagacja fal akustycznych i elektromagnetycznych i innych. Od początku lat '90 członkowie zespołu brali i biorą udział w 7 projektach badawczych Komitetu Badań Naukowych czy Ministerstwa Wyższego i Nauki. Część z nich współpracuje ze znaczącymi ośrodkami zagranicznymi w USA (Uniwersytet Teksański w Austin) i w Szwecji (Szwedzki Instytut Lotniczy, FOI/FFA). Współpraca ta jest związana z zastosowaniami MES w wielu dziedzinach nauki i techniki. 23 Nazwa projektu: Systemy współbieżnych procesów cyklicznych uwarunkowanych czasowo. Modelowanie i wspomagana komputerowo analiza. Opiekun projektu: Dr inż. Lech Jamroz E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Cel ogólny badań: 1. Techniki formalnej specyfikacji systemów czasu rzeczywistego. 2. Metody modelowania systemów czasu rzeczywistego. 3. Metody analizy systemów czasu rzeczywistego. 4. Metody i narzędzia diagnozowania i testowania systemów. Algorytmy szeregowania procesów sekwencyjnych i cyklicznych w systemach uwarunkowanych czasowo. Cele szczegółowe: 1. Założenia i koncepcja dynamicznego modelu systemu cyklicznych procesów współbieżnych w systemach czasu rzeczywistego. 2. Technologia obiektowa (metodyka HRT-HOOD) projektowania systemów czasu rzeczywistego. 3. Projekt struktury danych opisujących podstawowe właściwości systemu. 4. Zarządzanie zadaniami w architekturach jedno- i wieloprocesorowych systemach. W opisywanej dziedzinie naukowej, w szczególności we francuskich i amerykańskich ośrodkach naukowo-badawczych, obserwuje się zainteresowanie nowymi metodami formalnymi (sieci Petriego), w zakresie ogólnej teorii systemów ze szczególnym uwzględnieniem mikroprocesorowych systemów automatycznego sterowania. Priorytety badawcze: 1. Analiza wymagań i poprawności oprogramowania na gruncie teorii sieci Petriego. 24 2. Opracowanie algorytmów wyznaczania minimalnego czasu cyklu pracy systemu. 3. Minimalizacja cyklicznego obciążenia - algorytmy binaryzacji okresów zadań cyklicznych. 4. Szeregowanie zadań przed liniami krytycznymi. 5. Mechanizmy komunikacji międzyzadaniowej i mechanizmy synchronizacji dostępu do zasobów w systemach czasu rzeczywistego. 6. Język Ada 2005 do programowania systemów uwarunkowanych czasowo. 25 Nazwa projektu: Computational kernels for large scale finite element calculations on modern computer architectures. Procedury obliczeń wielkiej skali adaptacyjną metodą elementów skończonych dla nowoczesnych architektur komputerowych. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Krzysztof Banaś E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Celem badań jest opracowanie efektywnych implementacji procedur obliczeniowych MES dla nowoczesnych architektur komputerowych. Procedury obejmują zadania występujące powszechnie w programach MES, takie jak adaptacja siatki, całkowanie numeryczne, rozwiązanie układu równań liniowych. Architekturami planowanymi do uwzględnienia są rozmaite warianty systemów hierarchicznych, złożonych z węzłów obliczeniowych wyposażonych w procesory wielordzeniowe. W ramach pojedynczego węzła mechanizmem komunikacji jest pamięć wspólna. Pomiędzy węzłami komunikacji dostarcza biblioteka przesyłania komunikatów - z ewentualnym uwzględnieniem bezpośredniego korzystania z odległej pamięci innych węzłów. Pamięć wspólna dla procesorów w ramach pojedynczego węzła, jak również poszczególnych rdzeni w procesorach może być pamięcią o niejednorodnym dostępie (NUMA). identycznych Procesory rdzeniach, jak mogą i być procesorami procesorami homogenicznymi, heterogenicznymi, o o rdzeniach zróżnicowanych. Także w ramach poszczególnych węzłów obliczeniowych mogą występować procesory o zróżnicowanej budowie i charakterystykach, w tym także w postaci kart przyspieszających. 26 Nazwa projektu: Wieloskalowe symulacje adaptacyjną metodą elementów skończonych na równoległych systemach z procesorami wielordzeniowymi. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Krzysztof Banaś E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Celem badań jest opracowanie metodologii przeprowadzania symulacji zagadnień wieloskalowych na współczesnym zaawansowanym sprzęcie obliczeniowym. Rozważane zagadnienia obejmować będą problemy inżynierii materiałowej, mechaniki ciała stałego (w tym nano-mechaniki), mechaniki płynów (w tym przepływy krwi). Jako platformy realizacji obliczeń przewidziane są klastry złożone z serwerów wyposażonych w wielordzeniowe procesory, tak homogeniczne (z identycznymi rdzeniami), jak i heterogeniczne. Dodatkowo serwery będą posiadały specjalizowane karty o masowej wielowątkowosci do przyspieszania obliczeń. Opracowana metodologia zostanie wykorzystania do przeprowadzenia szeregu symulacji wielkiej skali w wyżej wymienionych dziedzinach, jako dowodu jej skuteczności. Sukces metodologii pozwoli na lepsze i dokładniejsze badanie zjawisk, w których interakcja zdarzeń odbywających się w różnych skalach przestrzennych i czasowych stanowi istotny aspekt problemu. 27 Nazwa projektu: Wizualizacje wysokiej wydajności wielkich zbiorów danych. Opiekun projektu: Dr hab. inż. Krzysztof Banaś E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Celem badań jest opracowanie metod wizualizacji wielkich zbiorów danych przy wykorzystaniu nowoczesnego sprzętu komputerowego. Dane pochodzić mogą z symulacji zagadnień fizyki i techniki, a także z innych dziedzin zastosowań, jak np. systemy informacji geograficznej. Wizualizacja dokonywana będzie na klastrach obliczeniowych złożonych z węzłów wyposażonych w procesory wielordzeniowe, szczególnie wydajne w typowym dla grafiki przetwarzaniu w modelu SIMD. Procesorami takimi są specjalistyczne jednostki takie jak np. procesor CELL firmy IBM, a także procesory na kartach przyspieszających, np. NVIDIA G10000. 28 Nazwa projektu: Planowanie przestrzeni o wysokich walorach krajobrazowych przy użyciu cyfrowych analiz terenu wraz z oceną ekonomiczną. Opiekun projektu: Dr inż. arch. Paweł Ozimek E-mail: [email protected] Charakterystyka programu badawczego: Cel ogólny badań: Celem projektu jest stworzenie narzędzi zwiększających skuteczność kształtowania krajobrazu poprzez ocenę ekonomiczną potencjału przyrodniczego, kulturowego i inwestycyjnego określonego obszaru. Cele szczegółowe: Stworzenie obiektywnej klasyfikacji, opierającej się na danych cyfrowych, elementów przestrzeni składających się na potencjał przyrodniczy i kulturowy, oraz wartości widokowych, dla określenia możliwości inwestycyjnych i płynących z nich korzyści ekonomicznych. Opracowanie narzędzi opartych o technologie cyfrowe, operujących obiektywnymi parametrami, ułatwiających podejmowanie decyzji w planowaniu i gospodarowaniu przestrzenią. 29
