Математическое моделирование: авиапром в «цифре»
Математическое моделирование — одна из ключевых технологий индустрии 4.0, обеспечивающих конкурентоспособность на аэрокосмических рынках будущего, и одно из приоритетных направлений развития МАИ.
Методы математического моделирования позволяют существенно сократить сроки и качественным образом повысить эффективность работы по созданию сложных образцов техники.
На базе научно-исследовательского отдела кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» МАИ сегодня формируется Центр компетенций «Математическое моделирование». Подразделению отведена значимая роль в реализации стратегического проекта МАИ «Будущие аэрокосмические рынки — 2050» в рамках программы «Приоритет-2030». Для работ в области математического моделирования используется суперкомпьютер мощностью более 150 терафлопс.
Направления работы
Московский авиационный институт участвует во многих перспективных индустриальных проектах в области математического моделирования, а использование мощностей суперкомпьютера позволило вывести их на принципиально новый уровень. Например, МАИ активно задействован в проекте российско-китайского широкофюзеляжного дальнемагистрального самолёта CR929 (ШФДМС). В Центре «Математическое моделирование» МАИ сегодня ведётся работа над задачами аэроупругости, изучением процессов обледенения, созданием новых методов аэродинамических расчётов и др.
С 2020 года МАИ является участником консорциума научного центра мирового уровня «Сверхзвук» и выполняет работы в четырех из пяти лабораторий на его базе: «Аэродинамика и концептуальное проектирование сверхзвукового пассажирского самолёта с низким звуковым ударом», «Прочность и интеллектуальные конструкции», «Газовая динамика и силовая установка», «Искусственный интеллект и безопасность полётов». Центр «Математическое моделирование» МАИ задействован в разработке программной среды и методик многокритериальной оптимизации сверхзвукового пассажирского самолёта, что также требует применения вычислительных ресурсов суперкомпьютера.
В число перспективных проектов центра входят также исследование работы несущего винта вертолёта при помощи численного моделирования, обучение искусственных нейронных сетей на кластере суперкомпьютерных вычислений для задач высокоточного математического моделирования и др.
Отдельно стоит выделить такие передовые направления работы подразделения, выполняемые с использованием технологий суперкомпьютерного моделирования, как создание единой и удобной программной среды для весового проектирования (весовой платформы) и исследования в области предиктивного анализа.
Весовая платформа
Работа над весовой платформой ведётся совместно с Министерством промышленности и торговли Российской Федерации. Единая программная среда позволит объединить применяющееся сегодня разрозненное программное обеспечение, используемое для решения отдельных задач в области весового проектирования, анализа, контроля изделий авиационной техники. Это поможет снизить количество ошибок проектирования, которые приводят к срыву сроков работ и, как следствие, увеличению стоимости готового продукта, а также повысить топливную эффективность готового изделия.
В 2021 году на Международном авиационно-космическом салоне МАКС начальник НИО-101 МАИ Дмитрий Стрелец представил проект весовой платформы в рамках круглого стола «Отечественные цифровые технологии в авиации и авиационной промышленности», который был организован Министерством промышленности и торговли Российской Федерации и АО «Авиасалон».
Также на МАКС-2021 были заключены соглашения о тестировании, отработке и опытной эксплуатации цифровой платформы весового проектирования с индустриальными партнёрами — ПАО «Компания «Сухой» и ООО «Инженерный центр программы СиАр929». Тогда же состоялось подписание протокола о намерениях по тестированию, отработке и опытной эксплуатации платформы с ПАО «Корпорация «Иркут». Как подчеркнул ректор МАИ Михаил Погосян, соглашения подвели промежуточный итог проделанной за два года работы и ознаменовали переход от этапа разработки к этапу внедрения.
— В настоящее время соглашение о предварительном тестировании платформы заключено также с ПАО «Ил». Кроме того, подписано соглашение с предприятием АО «Объединённая судостроительная корпорация» — АО «ЦМКБ «Алмаз», которое носит комплексный характер и включает в себя в том числе доработку программного комплекса в соответствии с требованиями и спецификой судостроительной отрасли, — рассказывает руководитель направления математического моделирования Илья Михайлов. — В рамках заключенного на МАКС соглашения уже начата работа с ОКБ Сухого по развёртыванию на предприятии двух модулей программного комплекса: модуля тарировки топливных баков и модуля расчёта МИХ пустого снаряженного самолёта.
Проект предполагает не только объединение существующих и создание новых цифровых сервисов в области весового проектирования, но и разработку современных учебных программ для студентов МАИ, а также программ дополнительного образования и курсов повышения квалификации. Обучение руководителей и специалистов по программам ДПО позволит повысить эффективность и снизить трудоёмкость работ в подразделениях весового проектирования и контроля и смежных с ними.
Предиктивный анализ
Ещё одно актуальное и вместе с тем сравнительно новое направление деятельности Центра «Математическое моделирование» — работа по предиктивному анализу выхода из строя агрегата топливной системы самолёта, которой руководит начальник лаборатории № 1 НИО-101 МАИ Андрей Катаев. Цель проекта — повышение надёжности авиаперевозок и минимизация рисков простоя самолёта на полосе из-за внезапных поломок.
— Ситуация, в которой загруженный самолёт находится на полосе и не может вылететь, полностью нарушает выстроенную заранее логистическую цепочку и несёт большие финансовые потери для авиакомпании в связи с простоем воздушного судна, — говорит Андрей Катаев. — Наша разработка позволяет прогнозировать выход из строя агрегатов топливной системы, исходя из данных, получаемых с различных датчиков самолёта, и избегать подобных критичных для компании проблем. Благодаря предиктивному анализу компания будет иметь возможность принять необходимые меры, связанные с заменой или ремонтом агрегата, не дожидаясь его выхода из строя. На данный момент завершается первый этап работ.
Специалистами МАИ созданы методики предиктивного анализа, отлично показавшие себя при тестировании. На втором этапе планируется опытное внедрение разработки на самолётах компании «Волга-Днепр», а также запуск программ по обучению работе с системой для сотрудников авиакомпаний и студентов МАИ.
Обучение студентов
Суперкомпьютер МАИ задействован не только в реализации перспективных проектов, но и в обучении студентов.
В 2020 году Центром «Математическое моделирование» совместно с IT-центром МАИ, институтом № 8 «Информационные технологии и прикладная математика» и Институтом системного программирования РАН была запущена программа магистратуры «Технологии суперкомпьютерного моделирования сложных технических систем». Группа студентов первого набора, в которую входят 16 человек, завершит обучение уже в июле 2022 года. Стоит отметить, что ровно половину группы составляют целевики, которые проходят обучение в интересах НИО-101 МАИ и Центра «Математическое моделирование».
Летом 2021 года состоялся второй набор по данной программе. В него вошли не только маёвцы, но и студенты, окончившие бакалавриат в других университетах.
— Обучаясь по этой программе магистратуры, студенты получают компетенции в области построения математических моделей физических процессов и явлений, пригодных для суперкомпьютерного моделирования. Современные математические модели базируются на большом количестве разнородных данных, что обеспечивает высокую точность моделирования, поэтому специалист в этой сфере должен обладать компетенциями в области обработки больших данных на высокопроизводительных вычислительных системах, — рассказывает руководитель IT-центра МАИ Мария Булакина. — Студенты изучают широкий спектр технологий, в том числе искусственный интеллект, физически информированные нейронные сети, методологии разработки программных продуктов и др.
Магистратура имеет уникальный междисциплинарный профиль, включающий в себя академический и проектный блоки, поэтому её выпускники могут работать и в крупных инженерных организациях, и в IT-компаниях, и в научных институтах.
В рамках дипломных проектов студенты магистратуры решают актуальные инженерные задачи с применением технологий виртуальной и дополненной реальности, методов работы с большими данными и др. При работе над проектами используются мощности суперкомпьютера, необходимые для обработки данных и математических моделей.
Такая возможность для студентов МАИ не уникальна. Пользоваться суперкомпьютером могут также маёвцы, обучающиеся по программам магистратуры «Виртуальная/дополненная реальность и искусственный интеллект», «Математическое обеспечение безопасности информационных систем и технологий» и другим направлениям, где требуются высокопроизводительные вычисления.
— Практически все прикладные задачи, связанные с построением виртуальных моделей, систем дополненной реальности, требуют процессов моделирования с использованием больших данных.
А работа с большими данными идёт в связке с большими вычислительными мощностями, — объясняет Мария Булакина. — Поэтому при необходимости студенты IT-магистратуры могут получить удаленный доступ к вычислительному кластеру МАИ. Это расширяет возможности и для практики, и для написания выпускных квалификационных работ.
С 2022 года программа «Технологии суперкомпьютерного моделирования сложных технических систем» будет расширена дополнительными треками по инженерным компетенциям, например планируется открыть треки по сервисному обслуживанию с применением больших данных и по предиктивной аналитике в сервисном обслуживании.
Начальник лаборатории № 1 НИО-101 МАИ Андрей Катаев
Дополнительное профессиональное образование
Осенью 2021 года МАИ запустил программу дополнительного профессионального образования «Введение в искусственный интеллект и нейросети для авиационных приложений» в интересах АО «Компания «Сухой». Обучение по программе проходят 17 специалистов компании.
Программа спроектирована экспертами Центра «Математическое моделирование» и кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» МАИ и направлена на получение компетенций по работе с большими данными, искусственным интеллектом и суперкомпьютерными мощностями для решения инженерных и конструкторских задач в АО «Компания «Сухой». В её реализации задействованы IT-центр, Центр «Беспилотные летательные аппараты» и Дирекция перспективных образовательных программ МАИ.
Отдельный модуль программы посвящён теме «Высокопроизводительные вычисления». В рамках модуля обучающиеся получат знания и компетенции в области параллельных вычислений и многопоточности, облачных вычислений, логирования и мониторинга данных, вычисления на видеокартах, контроля версий и данных. Также предусмотрена практическая работа на суперкомпьютере.
— Отличительная особенность программы — синергия современного инженерного знания и цифровых компетенций в области искусственного интеллекта и обработки больших данных, — отмечает директор института № 8 «Информационные технологии и прикладная математика» МАИ Сергей Крылов. — Это открывает её выпускникам возможность успешно воплощать самые амбициозные исследовательские и конструкторские авиационные проекты на качественно новом научном и технологическом уровне.
Юлия Мартынова