Южно-Уральский государственный университет реализует уникальные проекты

Искусственный интеллект захватывает все новые сферы. В настоящее время мы являемся свидетелями перехода на новый уровень научного и инновационного развития. Будущий технологический уклад базируется на широчайшем использовании информационных технологий, основанных на применении методов искусственного интеллекта и принципиально новых вычислительных систем. Высокопроизводительные роботы, гибридные устройства, прорывные медицинские технологии радикально изменят буквально все стороны нашей жизни.

Из истории суперкомпьютера

Южно-Уральский государственный университет уже давно решает задачи, связанные с искусственным интеллектом. Они появлялись естественным образом в процессе работы суперкомпьютерного центра. Ученые вуза более двадцати лет назад начали заниматься суперкомпьютерами, поняли, что это университетское направление перспективное и наукоемкое. Первый суперкомпьютер появился в университете в 2000 году, с тех пор направление развивается, технологии совершенствуются.

Сейчас в ЮУрГУ уже шестая версия суперкомпьютера, и с ней связана интересная история, удивившая международное научное сообщество на заре суперкомпьютерной эры.

— Наш вуз стал одним из четырех университетов, создавших по инициативе ректора МГУ Виктора Садовничего суперкомпьютерную ассоциацию в России, — вспоминает ректор ЮУрГУ Александр Шестаков. — Это придало новый импульс развитию.

Однажны к нам приехала делегация: российский представитель компании Intel, которая производит микропроцессоры, представитель российской компании «РСК Скиф», которая разрабатывает и производит суперкомпьютеры, и член-корреспондент Российской академии наук, руководитель Института программных систем им. А.К. Айламазяна РАН Сергей Абрамов, руководитель разработки программного обеспечения. Они предложили нам создать суперкомпьютер с полностью жидкостным охлаждением. После длительной дискуссии мы согласились на эту работу. Сложили внебюджетные средства университета и деньги программ инновационного развития Союзного государства Белоруссия и в установленные сроки разработали суперкомпьютер, все платы которого охлаждаются жидкостью.

После реализации этого проекта меня пригласили на выставку суперкомпьютеров в Гамбург. Там узнал, что у нашей разработки плотность упаковки узла суперкомпьютера в полтора раза выше, чем у японского суперкомпьютера, занявшего в то время первую позицию по производительности вычислений. ...Но ведь это суперкомпьютер России, которая, в представлении многих, в области электроники отстала навсегда. Это был шок для всех! Технологический прорыв!

Мы создали первый суперкомпьютер с полностью жидкостным охлаждением. Японцы тогда охлаждали два процессора, а у нас вся плата охлаждалась, что способствовало увеличению производительности вычислений и малому энергопотреблению. Со следующего года все суперкомпьютеры стали делать с полностью жидкостным охлаждением.

Мы тогда получили беспрецедентную скидку от разработчика и производителя электронных устройств и компьютерных компонентов американской компании Intel и создали суперкомпьютер, который занял 117-ю позицию в топ-500 самых мощных суперкомпьютеров мира.

Получив суперкомпьютер очень высокого класса, университет стал активно развивать это направление. Нужны были специалисты, умеющие программировать, ставить и решать задачи — был создан факультет вычислительной математики и информатики. Решалось очень много самых разных задач по моделированию, но по большей части они были инженерной направленности. К примеру, на суперкомпьютере ЮУрГУ моделировались двигатель ПД-14 для авиалайнера МС-21, а также все трюки известного фильма «Экипаж».

Цифровые двойники

Когда началась эра цифровых двойников, которые, собственно, и «выросли» из моделирования, университет занялся этими разработками. Поступил заказ от транснациональной корпорации Emerson на создание цифрового двойника вихреакустического расходомера, и эта модель была разработана. Специализированный компьютер поставили в глобальный инженерный центр «Метран» — филиал Emerson в Челябинске (более 80 процентов сотрудников — выпускники ЮУрГУ). Благодаря двойнику удалось значительно улучшить конструкцию расходомера и повысить его точность.

Emerson — мировой лидер в области автоматизации и идеолог цифровой индустрии. Это направление ЮУрГУ также стал активно развивать, и ученые вплотную подошли к применению методов искусственного интеллекта — машинного обучения и нейросетей.

Вот один из примеров. Совместно с немецкой компанией SMS-group — мировым лидером в области металлургического оборудования — в течение четырех месяцев проводили эксперименты. Посредством датчиков температуры анализировали, что внутри кристаллизатора на линии непрерывной разливки стали. Команда ЮУрГУ, приняв участие в конкурсе и решив задачу, применяя методы искусственного интеллекта, набрала 50 баллов, заняв первое место. Второе место заняла другая команда университета, получившая 36 баллов, а третье место занял немецкий университет с результатом 32 балла.

Челябинская область — край промышленный. Цифровая индустрия — одно из ключевых направлений развития университета. Сейчас завершается совместный проект ЮУрГУ и Магнитогорского металлургического комбината по модернизации работы листопрокатного цеха. Создано четыре двойника основных механизмов прокатного стана. Эти механизмы оснастили дополнительными сенсорами. Набирается статистика для того, чтобы в режиме реального времени определять и прогнозировать состояние основных элементов прокатного стана, повышая его надежность. Это также делается на основе методов искусственного интеллекта.

Прогноз состояния оборудования для эффективной работы — один из подходов цифровой индустрии. Задача — минимизировать простои, уменьшить объемы вредных выбросов в атмосферу, увеличить производительность. По завершении этого пилотного проекта ЮУрГУ планирует перейти к широкому тиражированию разработки на металлургических предприятиях страны. Более того, сейчас совместно с SMS-group университет входит в Программу по цифровой индустрии до 2030 года этой транснациональной компании. Уже создано четыре рабочих группы. Все задачи, которые ставятся в рамках этой программы, будут решаться на основе методов искусственного интеллекта.

Происходит сращивание суперкомпьютерного моделирования и технологий искусственного интеллекта. Результаты этого альянса активно применяются не только в индустрии, но и в разработках уникального совместного проекта «ГРЦ Макеева» и ЮУрГУ «Возвращаемая ракета «Корона». Ученые университета создали многодвигательную установку с общим обтекаемым телом, аналогов которой в мире пока нет. Проведен успешный эксперимент.

Вторая разработка — это полностью композитный корпус. Ракета будет работать на водороде. И третье направление в рамках этого проекта — система управления при посадке. В основе каждой разработки — суперкомпьютерное моделирование, а также подготовка решений, основанных на методах машинного обучения и нейросетевых технологий. Это прорывной проект с точки зрения развития аэрокосмической техники в нашей стране.

Лицо вместо паспорта

Еще одно приоритетное направление — биометрия. В частности, узнавание человека по лицу. В Челябинской области есть IT-компания «Папилон», которая является чемпионом России по биометрическим технологиям. Большинство сотрудников этой фирмы — выпускники Южно-Уральского государственного университета. ЮУрГУ и «Папилон» связывает давнее и результативное взаимодействие. В планах — развитие методов искусственного интеллекта в области биометрии.

Для реализации этого и других проектов университет планирует создать Центр искусственного интеллекта, в котором будет не только наука развиваться, но и идти образовательный процесс в области цифровых технологий (бакалавриат и магистратура). К слову, два года назад в ЮУрГУ впервые в стране была открыта магистерская программа по искусственному интеллекту. Идея создания такого центра в одном ряду с прорывными проектами страны, такими как Сколково, к примеру.

Также будут созданы инкубатор и технопарк. Есть предварительная договоренность с пятнадцатью фирмами, которые разместят свои конструкторские подразделения на территории рядом с Центром искусственного интеллекта ЮУрГУ.

В общежитиях вуза создана пропускная система биометрических данных на основе методов искусственного интеллекта. Развитие биометрии открывает большие перспективы. Во многих случаях можно будет обходиться без паспортов, для идентификации достаточно будет лица. На основе биометрии может быть разработано и внедрено множество сервисов. Посещение поликлиник, покупки и тому подобное...

Биометрическая система эффективна и надежна. Нужно создавать базу данных, которая сохранит информацию. Однако внедрение этой системы — вопрос не только технический. Пока паспорт является официальным документом. Возможны различные спорные ситуации. Нужна юридическая подложка, и вопрос этот должен решаться на законодательном уровне. Юридический институт университета начинает заниматься такой проблематикой.

Год назад в ЮУрГУ был запущен нейрокомпьютер, который позволяет решать нейросетевые задачи. Среди них разработки систем машинного зрения, искусственных нейронных сетей для анализа индустриальных шумов, системы, анализирующей влияние автомобильного трафика на загрязнение воздуха в крупных городах. К слову, в Челябинске такая система учеными ЮУрГУ уже внедряется. А еще в университете разработана нейронная сеть, выявляющая пневмонию в грудной клетке по рентгеновским снимкам.

Квантовая физика

Между тем ключевым направлением деятельности создаваемого Центра искусственного интеллекта станут разработки в области цифровой индустрии. И в первую очередь речь идет о разработках для российских предприятий тяжелой промышленности. Многие вопросы будут решаться посредством использования квантовых технологий, которые университет начинает развивать. Задача состоит в том, чтобы потенциал и компетенции ученых ЮУрГУ применялись в различных областях. В частности, в области кибербезопасности в системах управления технологическими процессами и геномики.

Использование квантовых технологий — наиболее перспективное направление создания принципиально новых вычислительных систем, систем передачи данных и устройств получения информации (датчиков). Эти технологии основаны на использовании квантовых свойств материи и подчиняются законам квантовой механики. В Центре искусственного интеллекта университет планирует активно развивать это направление, увеличивая производительность вычислений и надежность защиты информации. В ЮУрГУ создаются лаборатории, где будут разрабатываться методы искусственного интеллекта на основе квантовых технологий.

Южно-Уральский государственный университет всегда отвечал требованиям времени. Будущее за искусственным интеллектом. Сегодня задачи, связанные с развитием этого направления, являются ключевыми, ведь речь идет не только о переходе на новый технологический уровень, но и в первую очередь об обеспечении безопасности нашей страны. ЮУрГУ активно включается в решение этих задач.

Татьяна Строганова.
Фото Данила Рахимова.

«Российская газета», 29.09.21