Наукоемкие услуги и ПО

Наукоемкие услуги, связанные с созданием и локализацией компьютерных пакетов программ для моделирования  природных, технических и физико-химических систем для использования на высокопроизводительных вычислительных системах с применением параллельных и распределенных технологий. 

      В качестве пакетов программ выделим численные модели:

  • на основе гидро-, газодинамики, тепломассопереноса;
  • для компьютерного моделирования сверхбыстрых фотохимических реакций в молекулярных устройствах;
  • для расчета нанообъектов (нанотрубок, фуллеренов, графена) с учетом примесей, сложных структур и электромагнитных полей;
  • динамики химико-биологических примесей в воздушно-водных бассейнах;
  • для обработки данных дистанционного зондирования;
  • для задач оптимизации аспирационных и вентиляционных систем;
  • динамики жидкости для гидрологических приложений;
  • по исследованию особенностей пространственно-временных распределений температуры в биотканях. 

Важным направлением является разработка специализированных геоинформационных систем с развитым функционалом по визуализации пространственных данных и пространственному анализу, а также предоставление услуг по созданию геоинформационных баз данных, обработки данных дистанционного зондирования, цифровых рельефов местности необходимой детализированности для ландшафтного проектирования, гражданского, промышленного строительства, поддержки справочных и навигационно-диспетчерских систем, градостроительного кадастра. Особым для Нижне-Волжского региона представляются задачи сохранения уникальной территории Волго-Ахтубинской поймы, связанного с улучшением гидрологического режима, и использования ее потенциала для народного хозяйства. Для решения ряда задач в этом направлении участники данного проекта создали компьютерные и информационные инструменты, которые прошли стадию научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок (см. перечень финансируемых грантов и программ). Имеется опыт реализации проектов для заказчиков, связанный с:

  • Разработкой программно-аппаратных комплексов для построения оптимальных гидрографов через плотину Волжской ГЭС с целью улучшения гидрологической системы Волго-Ахтубинской поймы на основе компьютерных моделей динамики поверхностных вод с учетом широко спектра физических и метеорологических факторов. Данный пакет программ обеспечивает широкие возможности для решения большого числа инженерных и управленческих задач в гидрологии.
  • Созданием пакетов программ для расчетов нестационарной динамики загрязняющих примесей в приземном слое атмосферы, обладающий дополнительным функционалом (трехмерность, нестационарность динамики примесей и метеорологических примесей, реалистичный рельеф местности, учет химических и фотохимических превращений) по сравнению с программами, реализующими стандартные методики типа ОНД-86.
  • Созданием инструментов для повышения эффективности  систем  вентиляции и аспирации  воздуха  в  зависимости  от  широкого  спектра  физических факторов  и  улучшением  микроклимата  в  производственных,  офисных  и  жилых  помещениях на основе  численных  трехмерных  газодинамических  нестационарных  моделях. 

Данное программное обеспечение может либо поставляться заказчикам в рамках custom-made подхода, либо в качестве услуг по проведению компьютерного моделирования с использованием аппаратно-программных комплексов нашего инжинирингового центра. Основным назначением программного обеспечения является построение компьютерных моделей природных и технических объектов для оптимизации процессов и технических характеристик, технических вычислений, САПР и автоматизации проектирования, проведения крэш-тестов. Данные услуги и работы являются необходимым элементом импортозамещения зарубежной наукоемкой продукции, основанных на cutting edge технологиях, в областях:

  • систем автоматизированного проектирования (САПР);
  • научного моделирования сложных систем и сред разработки (аналоги Comsol Multiphysics, LabVIEW, STATISTICA, ACDLabs, Wolfram SystemModeler, Gaussian Inc., Wolfram Mathematica, PowerSim Studio, Portable HyperCube HyperChem, FlowVision, Xflow, Flometrics, ANSYS Products), преимущественно в области вычислительной гидро- газодинамики и тепломассопереноса, визуализации течений (Computational Flow Dynamics), а также расчетов химических и фотохимических реакций в молекулярных устройствах.

По всем перечисленным направлениям имеется высокая степень проработанности. Выделим программные и аппаратно-программные комплексы для математического моделирования:

  • нестационарных гидрологических систем для реального рельефа местности;
  • динамики загрязняющих примесей в приземном слое атмосферы;
  • динамики химико-биологических примесей в воздушно-водных бассейнах;
  • атмосферной радиации и оптических свойств земной атмосферы;
  • наноструктур (углеродных нанотрубок и графена) и их физико-химических характеристик, электрофизических и оптических свойства наноразмерных объектов;
  • аспирационных и вентиляционных течений;
  • тепловых и радиационных процессов в биотканях для медицинской диагностики;
  • свойств земной поверхности при решении задач мониторинга и 3D-моделирования рельефа местности.

Данные компьютерные модели прошли научно-исследовательскую стадию при выполнении научных грантов РФФИ, Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, Федеральных целевых программ.

Научно-технический задел, описание моделей, их основные характеристики, авторские права нашли отражение в публикациях высокорейтинговых отечественных и зарубежных научных журналах и свидетельствах о регистрации программ для ЭВМ.

Опыт реализации работ (услуг)

            В настоящее время на базе малого инновационного предприятия ВолГУ ООО «МИТ», центра коллективного пользования (ЦКП) ВолГУ «Суперкомпьютерный центр коллективного пользования ВолГУ», лаборатории вычислительных средств и компьютерного моделирования разработан и проходит стадию внедрения программно-аппаратный комплекс  «ЭкоГИС».

Программно-аппаратный комплекс «ЭкоГИС» позволяет:

  • проводить моделирование гидродинамических течений и волн в океанах, морях, озерах, водохранилищах, реках и каналах с учетом реалистичного рельефа дна, придонного трения, турбулентной вязкости, ветра, инфильтрации, испарения и вращения Земли.
  • прогнозировать динамику затопления территорий в случае чрезвычайных ситуаций, таких как прорыв плотин (дамб) на водоемах, выпадение обильных (ливневых) осадков, накат  на берег приливных, нагонных волн и цунами;
  • осуществлять экспертизу проектируемых и существующих гидротехнических сооружений на водных объектах и затопляемых участках суши (заградительных дамб, плотин, мостов, каналов, дренажных коммуникаций) посредством моделирования динамики поверхностных вод и определения зон затопления территорий жилой и производственной застройки.
  • определять оптимальные гидрологические режимы затопления пойменных территорий в случае регулируемого стока;
  • моделировать динамику распространения загрязняющих примесей в атмосфере и водоемах.

Данный комплекс создан коллективом ученых, инженеров и программистов Волгоградского госуниверситета и ООО «МИТ». Уникальными особенностями «ЭкоГИС» являются высокая скорость расчета динамики поверхностных вод и широкий спектр решаемых задач на любой заданной территории. При разработке программно-аппаратного комплекса «ЭкоГИС» были использованы современные суперкомпьютерные технологии, технологии параллельных вычислений и оригинальные эффективные алгоритмы расчета.

В основе компьютерной модели лежит новый эффективный численный алгоритм расчета (CSPH-TVD метод), позволяющий моделировать динамику поверхностных вод на произвольном рельефе местности с учетом различных физических факторов. Для эффективного использования вычислительных ресурсов применяется иерархическая система пространственных сеток разных масштабов. Использование суперкомпьютера на основе графических процессоров NVIDIA TESLA и CUDA-распараллеливание программных модулей позволили ускорить процесс расчета в сотни раз, что является важным фактором при построении прогностических моделей затопления территорий.

Состав программно-аппаратного комплекса «ЭкоГИС»:

  • вычислительные модули для моделирования гидродинамических течений и волн в океанах, морях, озерах, водохранилищах, реках и каналах с учетом реалистичного рельефа дна, придонного трения, турбулентной вязкости, ветра, инфильтрации, испарения и вращения Земли;
  • расчетные модули для моделирования динамики распространения загрязняющих примесей в атмосфере и водоемах;
  • геоинформационные системы и программные модули для создания и редактирования цифровых моделей рельефа и ГИС-проектов по исследованию динамики затопления и загрязнения территорий;
  • программные модули для 2D и 3D визуализации результатов расчетов;
  • базы данных цифровых моделей рельефа и гидрологического мониторинга Волго-Ахтубинской поймы;
  • гибридный суперкомпьютер с графическими ускорителями NVIDIA TESLA: 2´Intel Xeon E5-2609v2 2.5GHz, 10M, Ivy Bridge-EP, S2011, DDR3 64Gb, 2´NVIDIA TESLA K40 (Kepler), GDDR5 24Gb  (5760 ядер, 10 Тфлопс);
  • гибридный суперкомпьютер с графическими ускорителями NVIDIA TESLA: Six Core Intel Core i7-990X 3460/6.4/12M, DDR3 24Gb, 4 x NVIDIA TESLA Fermi C2070, GDDR5 24Gb (1792 ядра, 4 Тфлопс);
  • гибридная вычислительная станция на базе GPU NVIDIA TESLA K20 (Kepler), GDDR5 5Gb (2496 ядра, 3.5 Тфлопс);
  • вычислительный кластер на базе процессоров Intel Xenon 5320, DDR3 64 Gb (48 ядер).

В настоящее время подготовлены для реализации высокопроизводительные решения для моделирования динамики затопления территорий и распространения примесей в атмосфере и водоемах на базе программно-аппаратного комплекса «ЭкоГИС».

1. Полнофункциональная высокопроизводительная версия программного комплекса «ЭкоГИС» (Профессионал +) развернутая на суперкомпьютере с графическими ускорителями NVIDIA TESLA. Стоимость решения от 1 млн. руб. (зависит от конфигурации оборудования). В стоимость включены: установка, настройка и тестирование «ЭкоГИС» на суперкомпьютере; доставка; пуско-наладочные работы; обучение персонала; 1 год технической поддержки и обновления ПО. Сроки поставки 2-4 мес.

2. Полнофункциональная высокопроизводительная версия программного комплекса «ЭкоГИС» (Профессионал +) адаптированная под конфигурацию суперкомпьютера с графическими ускорителями NVIDIA TESLA. В состав ПО «ЭкоГИС» (Профессионал +) входят распараллеленные (CUDA, OpenMP-CUDA) вычислительные  модули, специализированные ГИС, базы данных ЦМР, программы для обработки и визуализации результатов моделирования. Стоимость решения 500 тыс. руб. В стоимость включены: установка, настройка и тестирование «ЭкоГИС» на суперкомпьютере заказчика; обучение персонала; 1 год технической поддержки и обновления ПО. Сроки поставки 1-2 мес.

3. Настольная версия программного комплекса «ЭкоГИС» адаптированная под конфигурацию графических процессоров NVIDIA GeForce и Quadro. В данной версии «ЭкоГИС» основные программные модули (расчетный и графический) интегрированы в единое приложение с поддержкой параллельных вычислений CUDA.  Стоимость решения 100 тыс. руб. В стоимость включен 1 год технической поддержки и обновления ПО. Сроки поставки 2-3 недели.

4. Услуги по созданию цифровых моделей рельефа и моделированию динамики затопления территорий и распространения загрязняющих примесей. Моделирование осуществляется с использованием программного комплекса «ЭкоГИС» (Профессионал +) развернутая на наших суперкомпьютерах с графическими ускорителями NVIDIA TESLA. Стоимость услуг от 50 тыс. руб. за проект. Сроки исполнения от 1 недели.

Презентация «ЭкоГИС»