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

В отчете представлены результаты заключительного 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 развивались а) методы и технологии обработки пространственных данных и временных серий, в том числе данные дистанционного зондирования, в задачах изучения природно-климатических процессов; б) математические модели и цифровые двойники в задачах биологии и медицины; в) представления о принципах и механизмах функционирования биологических нейронных сетей для моделирования и построения когнитивных систем; г) технологии и цифровые модели в задачах механики структурно-неоднородных сред и конструкций с заданными характеристиками жизненного цикла. Цель исследований состоит в разработке алгоритмов, вычислительных технологий, моделей и методов, обеспечивающих переход к математической формализации данных наблюдений и цифровым технологиям в следующих областях: проектирование, производство и контроль функционирования технических систем, изучение, мониторинг и прогнозирование развития процессов в сложных технических, медико-биологических и природно-антропогенных системах на различных стадиях жизненного цикла, в том числе на основе построения их цифровых двойников. 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 и иммунного ответа на локальные повреждения; сердечно-сосудистые и нейродегенеративные патологии; механизмы реализации клеточного ответа на повреждения ДНК; биологические информационные системы; структурно-неоднородные конструкционные материалы и конструкции перспективных технических систем, в том числе космического назначения. Методы исследований: 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. Основное содержание и результаты НИР 2024 года:  Проект 3.1 «Методы и технологии сбора, хранения и обработки пространственных данных и их временных серий»: моделирование и анализ первичной валовой продукции для территории Алтайского края и Новосибирской области с применением методов машинного обучения; оценка эмиссии метана с поверхности Земли по спутниковым данным; технология географически распределенной обработки наборов пространственных данных в рамках модернизированной информационно-вычислительной среды и ее апробация; пространственно-временной анализ распределения значений температуры подстилающей поверхности на основе спутниковых данных; анализ результатов экспедиционных измерений содержания хлорофилла «а» и температуры поверхностного слоя Телецкого озера и Новосибирского водохранилища; оценка полевой всхожести кукурузы по RGB-изображениям с БПЛА с использованием методов машинного обучения; анализ мультиспектральных данных дистанционного зондирования для выявления ореолов поверхностного рассеяния потенциально токсичных элементов в районе отвалов Коунрадского рудника (Прибалхашье, Центральный Казахстан);  Проект 3.2 «Математические модели и цифровые двойники в задачах биологии и медицины»: разработка иерархий усовершенствованных математических моделей асептического воспаления, в том числе с учетом нейрогенных и иных факторов, влияющих на тяжесть повреждения при дегенеративных патологиях и в хирургической ране; численное исследование качественных свойств и области применимости новых моделей; численное моделирование воспалительной фазы инфаркта миокарда при многососудистом поражении коронарного русла; численный анализ и оценка влияния асимметрии входного потока на гемодинамику в зоне бифуркации сонной артерии в контексте индивидуализации лечения пациентов с сердечно-сосудистой патологией и классификации типов операции эндартерэктомии, в том числе по результатам клинического и численного моделирования гемодинамики в шунте у прооперированных пациентов; анализ механизмов патогенеза лимфедемы и других нарушений микроциркуляции; разработка и анализ модели сердечно-сосудистой и почечной систем человека для изучения механизмов регуляции артериального давления с учетом влияния антигипертензивных препаратов и генетических факторов.  Проект 3.3 «Принципы и механизмы функционирования биологических нейросистем для моделирования и построения искусственных нейрокогнитивных систем»: разработка и численная реализация концептуальной модели возникновения и первичной эволюции биологических функциональных систем; уточнение механизмов реализации ассоциации различных сигналов на компартментах синапсов через межмолекулярные взаимодействия в их макрокомплексах; уточнение параметров модели синаптической регуляции синтеза РНК и белков; экспериментальный анализ вклада немедиаторных систем в синаптическую пластичность и оценка функциональных свойств электровозбудимых клеток в редуцированных системах; кинетическая модель аксонального транспорта в мозге млекопитающих в норме и на разных стадиях нейродегенерации; анализ динамики теплового потока тела человека и коррекция имитационной модели регуляции системы транспорта кислорода человека в покое и при физической нагрузке.  Проект 3.4 «Цифровые модели в задачах механики структурно-неоднородных сред и конструкций с заданными характеристиками жизненного цикла»: предложен метод анализа опасности повреждений по критериям риска для решения прямых и обратных задач обоснования безопасности технических объектов; предложен метод обоснования безопасности морских сооружений с использованием интервальных оценок риска и анализа стоимости жизненного цикла; сформулированы численные модели тросовых виброизоляторов для цифрового проектирования систем амортизации; апробированы цифровые модели анализа деформирования и коррекции формы рефлекторов космических аппаратов; предложена оригинальная конструкция композитного трансформируемого обода рефлекторной антенны космического аппарата и разработан метод решения оптимизационной задачи ее проектирования; решена задача совместного деформирования ортотропной пластины, лежащей на упругом основании с нелинейным изменением перемещений по толщине; выполнен численный анализ механического поведения пористых периодических структур при различных видах нагружения; разработан метод экспериментальной оценки адгезии теплозащитных покрытий; разработаны математические модели и расчетно-экспериментальные методы расчета напряженно-деформированного состояния и оценки несущей способности композитных элементов конструкций. В ходе выполнения НИР осуществлялось активное сотрудничество с рядом ведущих научно-исследовательских лабораторий, клиник и высших учебных заведений РФ. Значимость выполненных НИР состоит в создании нового математического, алгоритмического и программного инструментария для решения фундаментальных и прикладных проблем в области анализа сложных эколого-климатических, технических и медико-биологических систем, включая переход к цифровым технологиям, формирование и обоснование комплексов мер поддержки принятия решений в соответствующих областях. В рамках проекта получили развитие актуальные направления исследований, соответствующие приоритетным задачам повышения безопасности и качества жизни человека, в том числе: мониторинг состояния атмосферы и подстилающей поверхности; анализ 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; формирование и оценка эффективности новых терапевтических стратегий и мер поддержки принятия врачебных решений; функционирование и организация биологически инспирированных информационных систем; 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 научных семинарах в ведущих учреждениях РАН, на российских и международных конференциях, подготовлены и успешно защищены диссертации на соискание ученых степеней докторов и кандидатов наук, разработанные программные комплексы защищены свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ.