Разработка и анализ информационных и вычислительных технологий в задачах мониторинга и создания цифровых двойников различных явлений и объектов

Проводимые в рамках НИР исследования связаны с разработкой моделей и методов, обеспечивающих переход к цифровым технологиям проектирования, производства и контроля функционирования технических систем, изучения, мониторинга и прогнозирования развития процессов в технических, биологических и природно-антропогенных системах на различных стадиях жизненного цикла. Разрабатываемые модели, методы, технологии и подходы направлены на формирование методологического и технологического базиса для построения цифровых двойников сложных систем для их использования в разных жизнеобеспечивающих сферах. Исследования были разделены на четыре базовых блока: методы и технологии сбора, хранения и обработки пространственных данных и временных серий; математические модели и цифровые двойники в задачах биологии и медицины; анализ принципов и механизмов функционирования биологических нейронных сетей для моделирования и построения когнитивных систем; цифровые модели в задачах механики структурно-неоднородных сред и конструкций с заданными характеристиками жизненного цикла. Основные цели работы: ‒ разработка и модернизация методов и технологий сбора, хранения, обработки и анализа разнородных геопространственных данных и их временных серий, развитие на их основе новых подходов к решению фундаментальных и прикладных задач в области исследования атмосферных процессов, наземных и водных экосистем, применение этих методов, технологий и подходов к исследованию сложных экологических и климатических процессов и систем в Сибирском макрорегионе; ‒ исследование и валидация математических и компьютерных моделей биосистем для создания цифровых двойников человеческого организма и отдельных подсистем с перспективой построения «виртуального пациента» и комплекса поддержки принятия решений при диагностике и лечении заболеваний и функциональных расстройств; ‒ теоретико-экспериментальный анализ принципов и механизмов функционирования биологических макромолекулярных информационных машин на разных уровнях организации для моделирования нейрокогнитивных систем; ‒ разработка научно-методических основ построения цифровых моделей для прогнозирования прочности, живучести и ресурса структурно-неоднородных материалов, композитных и структурно-сложных конструкций с учетом стадий их жизненного цикла. Объектом исследования являются геопространственные данные и их временные серии, спутниковые снимки, эмиссия метана и диоксида углерода региональными источниками Западной Сибири, процессы регуляции артериального давления человека, воздействие мельчайших взвешенных частиц атмосферы на развитие нейродегенеративных заболеваний человека, молекулярно-генетические механизмы реализации клеточного ответа на повреждения ДНК, молекулярные маркеры массовой клеточной смерти, регуляция микроциркуляции и транскапиллярного обмена веществ, биологические информационные системы разного уровня сложности, структурно-неоднородные конструкционные материалы и конструкции перспективных технических систем, в том числе космического назначения. Методы исследований. В работе использованы методы математического моделирования, математической статистики, распознавания образов, агентный подход, численные методы, кинетика Гольдбетера-Кошланда, дифференциальные уравнения с запаздыванием, обратные коэффициентные задачи, методы расщепления решения многомерных задач, аналитические и численные методы решения краевых задач механики деформируемого твердого тела, информационные технологии, ГИС-технологии, метод «breath-by-breath», метод Вестерн блот, вычислительный эксперимент, климатическая модель RegCM-CHEM4, глобальная химическая транспортная модель MOZART-4, компьютерная система BioUML, технология GeneNet, авторские программные комплексы. Основные результаты первого этапа работ: ‒ разработаны новые методы и алгоритмы обработки данных дистанционного зондирования и их временных серий; получены карты распределений средних дневных и ночных температур поверхности земли с высоким пространственным разрешением, количественные оценки содержания метана в атмосфере и нижней тропосфере Западной Сибири, оценки эмиссии метана и CO2 при сжигании нефтяного попутного газа в факельных установках региона, годовой ход и тренды метана в атмосфере; ‒ разработана базовая модель функционирования системы типа p53–ингибитор–микроРНК; усовершенствованы подходы к математическому моделированию течения сердечно-сосудистых заболеваний, позволяющие осуществлять выбор модели постоперационного сосуда с оптимальными гемодинамическими показателями; проведена оптимизация и ускорение численных расчетов модульных математических моделей; усовершенствована и валидирована модель регуляции артериального давления с учетом соответствия физиологическим нормам для здорового человека; ‒ сформированы модели спонтанно возникающего простого логического функционального агента, обладающего признаками живых систем; изучены пути наращивания сложности модели биологически инспирированных когнитивных систем; предложен молекулярный механизм модулирующего влияния лептина и инсулина на плотность синаптических глутаматных рецепторов после индукции ДВП; проведен функциональный анализ электровозбудимых клеток, полученных из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека; в результате картирования транс-синаптической передачи наночастиц в мозге показано их накопление в обонятельном тракте мозга; выполнен формальный анализ вариабельности показателей кардио-респираторной системы; ‒ построены дискретные модели типовых ситуаций стадий жизненного цикла ряда структурно-сложных технических объектов; предложена технологии построения цифровых моделей нагруженности и живучести крупногабаритной прецизионной антенны наземных систем спутниковой связи; разработана цифровая модель шпангоута рефлектора космической антенны из композиционного материала с эффектом памяти формы; предложена методика валидации моделей композитных элементов на основе экспериментальных данных. Значимость работы состоит в создании новых методов обработки и анализа данных ДЗЗ для исследования сложных экологических и климатических процессов, формировании новых технологических подходов к решению сложных с вычислительной точки зрения проблем с использованием тематических веб-ГИС для поддержки научных исследований, расширении возможностей моделирования биологических процессов для более качественной интерпретации экспериментальных данных, получении новой информации и знаний о биологических системах и процессах, формировании новых подходов к анализу сложных многомасштабных процессов деформирования и разрушения структурно-неоднородных материалов и конструкций. Область применения полученных результатов: ‒ мониторинг различных процессов, происходящих в гидросфере и биосфере Земли, с использованием ДДЗ, изучение влияния глобального потепления на газовый состав атмосферы Западной Сибири и поддержка работ на карбоновых полигонах; ‒ компьютерное моделирование организма человека, оценка диагностического и терапевтического потенциала биомаркеров широкого круга дегенеративных заболеваний, предсказание оказываемых на организм эффектов внешних и внутренних воздействий с потенциальным применением в медицине, в том числе, онкологии, лимфологии, кардиологии и оперативной хирургии; ‒ создание обобщенной модели «Виртуальный пациент», позволяющей перевести область исследования внешних и внутренних воздействий из экспериментальной плоскости в плоскость компьютерных вычислений; ‒ реализация биологически инспирированных информационных систем и формирования методов и алгоритмов коррекции нейроиндуцированных патологий; ‒ проектирование конструкций перспективных технических систем, основанных на создании цифровых моделей, учитывающих историю нагружения и накопление повреждений на различных этапах жизненного цикла. Результаты работ опубликованы в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах, доложены на российских и международных конференциях, программные комплексы защищены свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ.