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

В отчете представлены результаты 3-го промежуточного этапа фундаментальных и прикладных исследований, связанных с разработкой новых и усовершенствованных моделей, методов, алгоритмов и программных продуктов и с получением новых знаний, обеспечивающих переход к цифровым технологиям проектирования, производства и контроля функционирования технических систем, изучения, мониторинга и прогнозирования развития процессов в сложных технических, медико-биологических (живых) и природно-антропогенных системах. Исследования тематически и организационно разделены на четыре блока-проекта, в рамках которых развиваются 1) методы и технологии обработки пространственных данных и временных серий, в том числе данные дистанционного зондирования, в задачах изучения природно-климатических процессов; 2) математические модели и цифровые двойники в задачах биологии и медицины; 3) представления о принципах и механизмах функционирования биологических нейронных сетей для моделирования и построения когнитивных систем; 4) технологии и цифровые модели в задачах механики структурно-неоднородных сред и конструкций с заданными характеристиками жизненного цикла. Основные цели 3-го этапа НИР: ‒ дальнейшее развитие современных подходов, методов и технологий сбора, хранения, обработки и анализа разнородных геопространственных данных и их временных серий, а также реализация этих подходов для решения актуальных фундаментальных и прикладных задач в области анализа экологических и климатических процессов, наземных и водных экосистем, в том числе в Сибирском макрорегионе; ‒ разработка, исследование и валидация математических и компьютерных моделей сложных медико-биологических систем с целью их дальнейшего развития и адаптации к созданию цифровых двойников человеческого организма и отдельных его подсистем, а также комплекса поддержки принятия решений при оценке эффективности новых пациент-ориентированных терапевтических стратегий при сердечно-сосудистых и дегенеративных патологиях; ‒ теоретико-экспериментальный анализ принципов и механизмов функционирования биологических макромолекулярных информационных машин на разных уровнях организации, моделирование и биоинспирированный реинжиниринг нейрокогнитивных систем; исследование механизмов регуляции системы транспорта кислорода человека; ‒ разработка технологий поддержки принятия решений по управлению жизненным циклом повреждаемых конструкций на основе интеграции цифровых моделей их свойств и поведения; разработка инструментария для проведения численных и натурных экспериментов, нацеленных на валидацию и корректировку цифровых моделей композитных конструкций технических систем космического назначения. Объектом исследования являются геопространственные данные и их временные серии, спутниковые снимки; эмиссия парниковых газов региональными источниками Западной Сибири; сложные медико-биологические (живые) системы, процессы регуляции артериального давления человека; сердечно-сосудистые и нейродегенеративные патологии, иммунный ответ; механизмы реализации клеточного ответа на повреждения ДНК; биологические информационные системы; структурно-неоднородные конструкционные материалы и конструкции перспективных технических систем. Методы исследований: современные инструменты информационных и вычислительных технологий, натурный, лабораторный и вычислительный эксперимент; методы распознавания образов и анализа изображений; веб- и ГИС-технологии; методы усвоения данных; статистический анализ; регрессионный анализ, имитационное и статистическое моделирование; биоинформационный, биокинетический и агентный подходы к моделированию; аналитические и численные методы решения прямых и обратных задач; поведенческие методики, методы секвенирования, МРТ-технологии, методы оценки функционального состояния человека; компьютерная система BioUML, авторские программные комплексы. Основные результаты 3-го этапа НИР: ‒ улучшенный алгоритм определения температуры подстилающей поверхности по спутниковым данным Landsat и результаты его применения для исследования многолетней динамики температурного режима Чуйской межгорной котловины (Республика Алтай) и озера Байкал; ‒ метод получения количественных оценок эмиссии метана предприятиями нефтяной промышленности Западной Сибири по данным спутниковых наблюдений; методика оценки пространственного распределения эмиссии метана с поверхности Земли по спутниковым данным AIRS и математической модели MOZART-4; ‒ оценки пространственного распределения концентрации хлорофилла «а» в поверхностном слое воды Телецкого озера по спутниковым данным; методы и алгоритмы для определения экземпляров растений агроценозов подсолнечника по RGB-изображениям с БПЛА; ‒ сервис для контроля хода выполнения заданий при обработке и анализе многомерных массивов геопространственных данных вычислительным ядром цифровой информационно-аналитической платформы «Климат»; ‒ результаты численных исследований, ориентированных на индивидуализацию лечения пациентов с сосудистой патологией; комплекс компьютерных программ и критерии оценки результатов оперативного вмешательства при стенозе сонной артерии; ‒ комплексы программ, модели, результаты численного анализа основных механизмов клеточной смерти и врожденной иммунной реакции в контексте оценки эффективности противовоспалительных, антидегенеративных и противораковых стратегий, основанных на медиаторах воспаления, белках-регуляторах клеточной смерти и микроРНК; оценки терапевтического потенциала управления поляризацией макрофагов и «терапевтического окна» при инфаркте миокарда; ‒ усовершенствование технологии «виртуального пациента»; усовершенствование компьютерной платформы BioUML в части формализации процедуры валидации математических моделей сложных биологических систем с помощью набора автоматических тестов; ‒ феноменологические модели биологических нейросистем как информационных машин; результаты теоретико-экспериментального анализа принципов и механизмов функционирования сенсорных макромолекулярных информационных комплексов; ‒ результаты лабораторного исследования спектров микроРНК в мозге животных после обучения; развитие модели молекулярных взаимодействий и верификация данных о динамике микроРНК в регуляции синаптически индуцированной генной экспрессии; ‒ результаты лабораторного исследования и моделирования динамики накопления и элиминирования Mn3O4-НЧ в структурах ольфакторной системы двух линий мышей с генетической склонностью к болезни Паркинсона; ‒ результаты анализа аксонального транспорта наночастиц оксида марганца (II, III) из носовой полости в структуры ольфакторной системы в норме и при патологиях нервной системы; ‒ результаты экспериментального анализа вариабельности показателей состояния системы транспорта кислорода у человека; модель транспорта кислорода и результаты анализа терморегуляторных реакций в кистях рук; ‒ методика вероятностного риск-анализа технических объектов с накапливаемыми повреждениями, рассматриваемыми как стохастический необратимый кумулятивный процесс с поглощающей границей; ‒ постановки и результаты апробации комплекса задач поддержки принятия решений при управлении жизненным циклом повреждаемых конструкций на стадиях разработки, производства и применения, основанные на цифровых моделях их свойств и поведения; ‒ методика проведения численных и натурных экспериментов по валидации и корректировке цифровых моделей композитных конструкций космического назначения, основанная на использовании цифрового аналога трансформируемого рефлектора; ‒ результаты расчетной отработки суррогатных моделей на этапах жизненного цикла цифрового двойника рефлектора антенны космического аппарата; инновационный способ раскрытия зонтичного рефлектора космической антенны, использующий энергию деформации трансформируемого обода. Значимость работы состоит 1) в создании новых методов обработки и анализа данных ДЗЗ для исследования сложных эколого-климатических процессов, формировании новых технологических подходов к решению сложных с вычислительной точки зрения проблем с использованием тематических веб-ГИС для поддержки научных исследований; 2) в расширении возможностей моделирования биологических процессов для более качественной интерпретации экспериментальных данных, в получении новых знаний о закономерностях функционирования сложных медико-биологических (живых) систем и процессов, в обосновании новых подходов к оценке эффективности новых терапевтических стратегий и созданию инструментов анализа результатов оперативных вмешательств при сердечно-сосудистых патологиях; 3) в получении новых знаний о сложных многомасштабных процессах деформирования и разрушения структурно-неоднородных материалов, в создании на этой основе прототипов конструкций, в том числе в интересах космической отрасли. Область применения полученных результатов: ‒ мониторинг состояния атмосферы и подстилающей поверхности, изучение влияния глобального потепления на газовый состав атмосферы Западной Сибири и поддержка работ на карбоновых полигонах; повышение эффективности растениеводства; ‒ анализ молекулярно-генетических и клеточных механизмов функционирования живого организма в норме и патологии; реализация биологически инспирированных информационных систем; ‒ системы поддержки принятия врачебных решений в клинической и лабораторной практике; формирование методов и алгоритмов коррекции механизмов патогенеза и контроля течения широкого круга дегенеративных заболеваний, их ранней диагностики и оценки эффективности терапевтических стратегий в онкологии, кардиологии, неврологии и оперативной хирургии; ‒ проектирование и эксплуатация 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.