Научная деятельность >> Комплексная научная программа
Комплексная научная программа "Цифровые технологии и их применения"
Направления программы
Программа предусматривает выполнение научных исследований и разработок мирового уровня, создание наукоемкой продукции по следующим направлениям:
- Наука о данных и предсказательное моделирование (рук. - Вьюгин В.В.);
- Анализ данных в геномике (рук. - Базыкин Г.А.);
- Беспроводные сети нового поколения для Интернета людей и вещей (рук. - Ляхов А.И.);
- Фундаментальные проблемы разработки интеллектуальных автономных систем (рук. - Николаев Д.П.);
- Фундаментальные математические и физические модели больших систем (рук. - Кричевер И.М.).
Сведения о достижении цели и решении задач программы в 2015 году
Выполнение работ по программе позволило ИППИ РАН сделать заметные шаги в комплексном развитии института как мультидисциплинарного научного центра современного уровня, нацеленного на создание фундаментальных научных основ для производства высокотехнологичной продукции, критически важной для целей национальной безопасности и улучшения качества жизни.
Задачи, запланированные на 2015 год, выполнены по всем направлениям программы (см. раздел о научных результатах по направлениям программы).
Получили поддержку подразделения Института, занятые исследованиями в области современной фундаментальной и прикладной математики и теоретической физики (см. полученные результаты по направлениям 1 и 5). Кроме того, создано новое структурное подразделение – лаборатория методов математической физики и теории информации под руководством молодого кандидата физико-математических наук Д.В. Васильева. К работе в созданном подразделении привлечены, в том числе, ученые из российской диаспоры за рубежом, что позволит ИППИ РАН интенсифицировать международное сотрудничество по направлению работы лаборатории.
Удалось существенно усилить направления исследований, связанные с науками о данных – современной области, появившейся в последнее десятилетие и сочетающей методы классической математической статистики и теории вероятностей с методами современной геометрии и топологии, теории функций и оптимизации, а также методами высокопроизводительных вычислений. В связи с научным ростом молодых ученых Института, занятых в этом направлении исследований, и притоком в институт новых высококвалифицированных кадров, на ближайшее время запланировано преобразование сектора интеллектуального анализа данных и моделирования в лабораторию, в составе которой будут выделены три направления исследований: анализ данных в нейронауках, нейросетевые методы анализа данных и суррогатное моделирование и оптимизация.
В рамках работ в области помехоустойчивого кодирования и построения сетей с поддержкой M2M-коммуникации, получены результаты, имеющие первостепенное значение для создания нового поколения мобильных телекоммуникационных систем, развертывание которых в полной мере ожидается к 2020 году. Многие результаты, полученные в рамках выполнения программы, были представлены не только на крупнейших конференциях, но и в международном комитете по стандартизации в области локальных и городских сетей (IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee).
По Направлению фундаментальных проблем разработки интеллектуальных автономных систем на базе существовавшего ранее Сектора моделирования биоинформационных процессов в зрительных системах была сформирована Лаборатория зрительных систем. Для решения задач программы в лабораторию было дополнительно принято 20 сотрудников (19 из них - моложе 39 лет). Исследования Лаборатории носят междисциплинарный характер, объединяя математические, технические и биологические научные результаты, связанные с общими принципами функционирования зрительных систем. По задачам Направления, не относящихся к зрительной тематике, налажено взаимодействие с другими структурными подразделениями Института.
Такая консолидация научных кадров позволила решить все запланированные на 2015 год задачи Направления, существенно превысив при этом заложенные в плане показатели по числу публикаций. Параллельно с накоплением базы фундаментальных научных знаний в области разработки интеллектуальных автономных систем силами научного коллектива Направления в 2015 году был собран корпус видеоданных с существующих на рынке платформ БПЛА. Кроме того, в кооперации с сотрудниками МИП Института - ООО “Визиллект Сервис” - были созданы собственные лабораторные макеты БПЛА и БНТС. Это позволяет в рамках Программы перейти в 2016 году к исследованию принципов построения интеллектуальных автономных систем, пригодных для промышленной эксплуатации.
За счет средств софинансирования программы существенно улучшена материально-техническая база Института - модернизированы высокопроизводительные вычислительные системы и системы хранения данных, ресурсами которых пользуются исследователи всех направлений программы; приобретена система высокопроизводительного секвенирования, что позволит создать в последующие годы полноценную лабораторию секвенирования для исследований в области геномики, нейрогенетики и нейробиологии.
Основные научные результаты по напралениям программы
Направление 1
При трансдуктивном машинном обучении рассматривается обучающая выборка размеченных примеров и тестовая выборка неразмеченных объектов. Алгоритм классификации или регрессии обучается на размеченной выборке и применяется для получения меток объектов тестовой выборки. Введена новая мера сложности класса применяемых алгоритмов – перестановочная сложность Радемахера (Permutational Rademacher Complexity (PRC)). Изучены свойства этой сложности. Доказано новое симметризационное неравенство, которое предлагает более точную оценку среднего супремума эмпирического процесса, чем при использовании независимых одинаково распределенных случайных величин. Получены неравенства между новой сложностью и известной мерой сложности - сложностью Радемахера. Получены новые оценки вероятности ошибки при трансдуктивном обучении.
Разработана процедура многоуровнего бутстрепа, предназначенная для определения доверительных множеств для правдоподобия в случае конечных выборок. Получено теоретическое обоснование применимости процедуры бутстрепа для выборок конечного среднего размера, учитывающее размерность параметров. Процедура работает, если отношение размерности параметра к длине выборки мало. Основной результат о применимости процедуры бутстрепа распространен на случай, когда лежащая в основе модель неверно специфицирована в смысле небольшого смещения модели от истинной.
Разработанная процедура бутстрепа применима также в том случае, когда истинная модель, генерирующая данные, значительно отличается от используемого параметрического семейства. В этом случае возрастает размер доверительного множества в зависимости от модельного смещения. Проведены численные эксперименты для случая неверно специфицированных линейной и логистической регрессий.
Направление 2
По направлению «Анализ данных в геномике» получены результаты по всем запланированным к исследованию темам. В частности, выполнен анализ экспрессии генов модельного генетического объекта – растения Arabidopsis thaliana; полученная карта, показывающая особенности экспрессии генов в различных тканях, является наиболее подробной и точной на сегодняшний день. Осуществлен анализ изменений экспрессии в этом организме, происходящих в соцветии при переходе к цветению. Разработан и реализован алгоритм поиска элементов ДНК, остающихся неизменными в ходе эволюции. Прочитаны и аннотированы геномы (последовательности ДНК) и транскриптомы (последовательности экспрессируемой РНК) загадочных неизученных групп примитивных многоклеточных животных – волосатиков, ортонектид и дициемид, уточнено их положение на эволюционном древе. Описан набор необычных объектов в митохондриальном геноме волосатика G. alpestris – длинные точные палиндромные повторы, перекрывающиеся с кодирующей частью гена и имеющие неясное происхождение и функцию. Начаты разносторонние исследования генетических взаимодействий в митохондриальных и ядерных геномах. Исследованы свойства белка APOBEC, который вызывает существенную долю мутаций в геноме человека при онкологических заболеваниях; показано, в частности, что из-за свойств этого белка мутации чаще попадают в функционально важные участки генома, чем если бы они были распределены по геному случайно. Получены предварительные результаты по всем остальным направлениям работы.
Направление 3
По направлению «Беспроводные сети нового поколения для Интернета людей и вещей» в 2015 г. получены результаты по всем запланированным к исследованию темам, среди которых следует выделить следующие научные результаты, имеющие первостепенное значение для создания нового поколения беспроводных сетей. (1) Разработаны новые методы построения двоичных МПП-кодов, недвоичных МПП-кодов и ОЛО-кодов для беспроводных сетей нового поколения. Предложены новые алгоритмы декодирования таких кодов, имеющие малую сложность реализации. Получены теоретические границы вероятности неправильного декодирования, гарантирующие наличие "полки" (англ. "error floor") ниже, чем заданные требования к вероятности ошибки на выходе декодера. (2) Разработан математический метод анализа многофазной СМО с неординарным потоком нетерпеливых заявок с фиксированным временем жизни, обслуживаемых многоканальным устройством с геометрически распределенным временем обслуживания. СМО моделирует процесс передачи видеопотока реального времени по многошаговой беспроводной сети с использованием периодических резервирований канала в условиях помех. Метод является основой нового алгоритма управления выделением канальных ресурсов для передачи потоковых данных с требуемым качеством обслуживания. (3) Разработаны сигнально-кодовые конструкции (СКК) для систем множественного доступа с большой плотностью узлов. Основным элементом разработанных СКК являются недвоичные МПП-коды, что обеспечивает хорошие корректирующие свойства. Благодаря использованию динамически выделяемых поддиапазонов, разработанные СКК устойчивы к воздействию помех различного рода. (4) Разработаны и исследованы новые методы повышения надежности доставки данных в многошаговых беспроводных сетях (mesh-сетях), основанные на использовании многопутевой маршрутизации с учетом корреляции ошибок при передаче пакетов по разным путям.
Направление 4
Направление фундаментальных проблем разработки интеллектуальных автономных систем настоящей Программы построено вокруг четырех базовых задач. В 2015 году по двум из них, а именно “навигация мобильных беспилотных аппаратов в отсутствие связи с центром управления, в том числе с использованием пассивных сенсоров” и “картографирование и разведка местности беспилотными аппаратами, поиск и классификация объектов, в том числе коллективные, осуществляемые группой взаимодействующих БПА и с использованием пассивных сенсоров” были получены значимые научные результаты.
Создана модель интеграции и комплексирования данных в группе БПА для непрерывного картирования медленно меняющегося ландшафта при использовании пассивного зрения. Предложеннная модель позволяет решить или избежать возникновения основных проблем, возникающих при работе с множественными агентами. Предложен алгоритм обмена данными между БПА для эффективной работы при потерях связи и ограничениях на ее пропускную способность. Разработан и реализован полностью распределенный, стохастический алгоритм движения роботов, обеспечивающий периодическое посещение каждой точки территории, необходимый для эффективного картирования динамической среды и обеспечивающий непредсказуемость движения роботов.
Разработаны методы навигации и целеуказания на основе пеленгационных измерений и с использованием оптического потока. Эти методы дополняют и позволяют заменить спутниковую и инерциальную навигационные системы, а также обеспечивают уровень точности оценки ориентации БПЛА, необходимый для правильной привязки наблюдаемых участков местности к географическим координатам. Предложенный метод навигации по пеленгационным измерениям не требует ни специальной подготовки местности, ни ручной разметки карт оператором, и применим для существенно трехмерного рельефа. При использовании такого подхода навигация и целеуказание не накапливают ошибок со временем, что является важным при выполнении долговременных автономных миссий. Для тестирования методов была создана имитационная среда, основанная на реальных данных, на которой была продемонстрирована высокая точность навигации, достаточная для решения широкого спектра практических задач. В настоящее время идёт работа над применением данного метода на реальных БПЛА.
Направление 5
По направлению «Фундаментальные математические и физические модели больших систем» в 2015 г. получены результаты по всем запланированным к исследованию темам. Особо следует выделить следующие научные результаты: (1) Введены многочастичные ортогональные полиномиальные ансамбли, связанные с большими полиномами q-Якоби, и для них изучен предельный переход, когда число частиц стремится к бесконечности. Основной результат: получено явное выражение для предельного корреляционного ядра. (2) Показано, что введенное недавно Бородиным и Ольшанским 4-параметрическое семейство марковских процессов на дуальном объекте к бесконечномерной унитарной группе составлено из пределов скачкообразных процессов на дуальных объектах к растущим компактным унитарным группам. (3) Используя связи со структурами Фробениусова многообразия, изучена матричная модель минимальной Лиувиллевской гравитации, основанная на струнном уравнении Дугласа. Найдена точная дискретная формулировка модели минимальной лиувиллевской гравитации. Получена модификация структуры Фробениусова многообразия и конструкции Ли-Янга. Вычислены корреляторы модели вплоть до четырехчастичных и установлено, что они полностью совпадают с предсказаниями непрерывных моделей без использования резонансных преобразований. (4) Обнаружена структура типа Мандельброта в пространстве модулей узлов. Показано также, что в этом эффекте конкретные срезы универсального пространства Мандельброта не играют существенной роли. (5) Показано, что перекрытие резонансов пентакварков может возникать, если составляющие барионы и мезоны находятся в цветном состоянии. Это открывает широкие перспективы создания "неабелевой химии". (6) Обобщены конструкции цветных инвариантов узлов.
Публикации
Перечень публикаций, подготовленных в результате реализации программы в 2015 году, можно скачать по ссылке.
Перечень конференций, на которых были представлены результаты реализации программы в 2015 году:
Направление 1
1. Семинар по теории вероятности и математической статистике, РФ, г. Санкт-Петербург, апрель, 1 устный доклад;
2. Третий международный симпозиум по статистическому обучению и науке о данных, Великобритания, г. Лондон, апрель, 4 устных доклада, 1 руководство секцией;
3. 15-ая международная конференция по вычислительным наукам и их применению, Канада, г. Банф, июнь, 1 устный доклад;
4. Международная конференция по машинному вычислению «ICML-2015», Франция, г. Лилль, июль, 2 устных доклада;
5. 39-ая конференция молодых ученых и специалистов ИППИ РАН «Информационные технологии и системы» (ИТиС"2015), РФ, г. Сочи, сентябрь, 2 устных доклада;
6. Международная конференция по науке о данных и ее продвинутой аналитике (IEEE DSAA’2015), Франция, г. Париж, октябрь, 1 устный доклад;
7. 8-ая Международная конференция по машинному зрению «ICMV-2015», Испания, г. Барселона, ноябрь, 4 устных доклада, 1 пленарный доклад;
8. Научный семинар по применению методов детектирования аномалий и других методов анализа данных, Франция, г. Тулуза, ноябрь, устные выступления;
9. 14-ая Международная конференция по машинному обучению и его приложениям (IEEE ICMLA’15), США, Майами, декабрь, 1 устный доклад.
Направление 2
1. Международная конференция «The human mutation rate meeting», Германия, г. Лейпциг, февраль, 1 устный доклад;
2. 26-ая Международная конференция по исследованиям арабидопсис, Франция, г. Париж, июль, 1 стендовый доклад;
3. Международная конференция «Предсказание эволюции», Португалия, г. Лиссабон, июль, 1 стендовый доклад;
4. Международная конференция Общества молекулярной биологии и эволюции (SMBE-2015), Австрия, г. Вена, июль, 1 стендовый доклад;
5. 39-ая конференция молодых ученых и специалистов ИППИ РАН «Информационные технологии и системы» (ИТиС"2015), РФ, г. Сочи, сентябрь, 1 приглашенный доклад, 5 устных докладов, 2 стендовых доклада.
Направление 3
1. Серия научно-технических семинаров Университета Мэриленда по теме «Разработка новых высокоскоростных конструкций МПП-кодов», США, г. Мэриленд, февраль, 2 устных доклада, устные выступления;
2. Пленарная сессия комитета IEEE 802.11 по стандартизации сетевых технологий, Германия, г. Берлин, март, 2 устных доклада;
3. 9-й Международный симпозиум по кодированию и криптографии (WCC 2015), Франция, г. Париж, апрель, 2 устных доклада;
4. Международная конференция по теории информации (IEEE ITW 2015), Израиль, г. Иерусалим, апрель, 1 устный доклад;
5. Международная конференция «European Wireless – 2015», Венгрия, г. Будапешт, май, 2 устных доклада;
6. Международная конференция "IEEE International Conference of Communication 2015", Великобритания, г. Лондон, июнь, 1 устный доклад;
7. Международный симпозиум по теории информации (IEEE ISIT-2015), Китай, Гонконг, июнь, 4 устных доклада;
8. Серия научно-технических семинаров университета Кингс-колледж Лондон по теме «Математическое моделирование иерархических методов множественного доступа в сетях с большим числом узлов и трафиком межмашинного взаимодействия», Великобритания, г. Лондон, июль, устные выступления;
9. Международная конференция по системам беспроводной связи (ISWCS 2015), Бельгия, Брюссель, август, 2 устных доклада;
10. Международная конференция MACOM 2015 (8th International Workshop on Multiple Access Communications), Финляндия, г. Хельсинки, сентябрь, 1 устный доклад;
11. 39-ая конференция молодых ученых и специалистов ИППИ РАН «Информационные технологии и системы» (ИТиС"2015), РФ, г. Сочи, сентябрь, 8 устных докладов;
12. Пленарная сессия комитета IEEE 802.11 по стандартизации сетевых технологий, Таиланд, г. Бангкок, сентябрь, 2 устных доклада;
13. Международная конференция IEE ClobeCom 2015, США, Сан-Диего, декабрь, 2 устных доклада.
Направление 4
1. 29-ая Европейская конференция по имитационному моделированию (ECMS 2015), Болгария, г. София, май, 2 устных доклада;
2. 38-я Международная конференция "Применение цифровой обработки изображений" (в рамках Симпозиума SPIE), США, г. Сан-Диего, август, 1 устный доклад;
3. 39-ая конференция молодых ученых и специалистов ИППИ РАН «Информационные технологии и системы» (ИТиС"2015), РФ, г. Сочи, сентябрь, 5 стендовых, 1 устный доклад;
4. 17-ая Всероссийская конференция с международным участием «Математические методы распознавания образов» (ММРО-17), РФ, г. Светлогорск, сентябрь, 1 устный доклад;
5. Австралийская конференция по управлению (AUCC 2015), Австралия, г. Мельбурн, ноябрь, 1 устный доклад;
6. 8-ая Международная конференция по машинному зрению «ICMV-2015», Испания, г. Барселона, ноябрь, 1 приглашенный доклад, 5 устных доклада, 1 стендовый доклад.
Направление 5
1. Вторая Зимняя геометрическая школа, РФ, г. Переяславль-Залесский, февраль, 1 устный доклад;
2. Математический семинар Санкт-петербургского отделения Математического института им. В.А. Стеклова, РФ, г. Санкт-Петербург, март, 1 устный доклад;
3. Международная конференция "Асимптотическая статистика случайных процессов - X", Франция, г. Леман, март, 1 устный доклад;
4. 8-ая конференция по Полиномиальной Компьютерной Алгебре, РФ, г. Санкт-Петербург, апрель, 1 устный доклад;
5. Международная конференция "Производные категории и бирациональная геометрия", Великобритания, г. Уорик, июнь, 1 устный доклад;
6. Международная конференция "Европейская встреча статистиков в 2015 г.", Нидерланды, г. Лейден, июль, 1 устный доклад;
7. 39-ая конференция молодых ученых и специалистов ИППИ РАН «Информационные технологии и системы» (ИТиС"2015), РФ, г. Сочи, сентябрь, 1 пленарный доклад.
|
