Суперкомпьютерные возможности инновационного развития авиации

Инновационное развитие авиации рассматривается в качестве локомотива реформирования отечественной экономики. В результате принятых решений начали формироваться механизмы внедрения инновационных технологий в процесс создания авиационной техники. Закладываются научно-технические основы ускоренного решения проблем сохранения и повышения конкурентоспособности отечественной аэрокосмической продукции. В связи с этим важно не допустить сбоев в работе этих механизмов, особенно в условиях финансового кризиса и наметившегося замедления темпов роста отечественной экономики. Как эффективно использовать в этих целях новые информационные технологии и высокопроизводительные вычислительные системы, предлагает в статье действительный член Международной академии астронавтики, профессор Московского авиационного института Александр Меденков.

Решение задачи инновационного развития аэрокосмической отрасли может осуществляться на основе разных стратегий. Одна из них заключается в определении критического, центрального или основного звена в качестве приоритета для инвестиций и последующего вытягивания цепочки «слабых мест» в работе механизмов инновационного развития авиации. Практика показывает, что такое начало бывает эффективным. Но только тогда, когда, действительно, существует основное звено и его «выправление» положительно сказывается на остальных звеньях механизма.

Другая стратегия предполагает системный подход и одновременную «смазку» важнейших звеньев механизма с тем, чтобы он работал быстрее, слаженно, надежно и эффективно. Но для этого необходимо видеть целостную картину взаимосвязей проблемы и ее содержательной основы.

Представляется, что проблему инновационного развития авиации следует решать на основе системной стратегии с учетом комплексного учета влияния основных системообразующих факторов. В связи с этим при формировании стратегии целесообразно учесть отечественный опыт ускоренной ликвидации отставания в развитии авионики и вычислительных комплексов и систем, в том числе при разработке авиационных комплексов 4-го поколения.

Тогда в качестве приоритетных целей и задач создания комплексов рассматривались не разработки аналогичных образцов электронной техники, а достижение эксплуатационных тактико-технических характеристик, системно обеспечивающих превосходство в воздухе. Отсюда и вытекали показатели и критерии оценки эскизных и технических проектов и авиационных комплексов в целом. Это означало, что «выходными» параметрами являлись конечные показатели эффективности комплекса, достижение которых обеспечивалось переносимостью высоких и длительных перегрузок, выполнением тактически выгодных маневров, фигур высшего пилотажа, эффективным использованием бортового оборудования.

Сегодня ситуация повторяется. Инновационное развитие авиации важно не само по себе, а как переход на качественно новый уровень внедрения достижений науки и техники в интересах создания конкурентоспособной авиационной техники. И здесь возникает ряд проблем, требующих взаимосвязанных решений. Прежде всего, должны быть определены тактико-технические характеристики образцов техники и их функциональные возможности, отвечающие современным требованиям и обеспечивающие их преимущества и конкурентоспособность. Соответственно, уточняются направления и рамки поиска инновационных идей, технологий, материалов, методов, способов и условий достижения требуемых качеств и характеристик образцов техники. Решение этой задачи предполагает как проведение специальных исследований по государственному заказу, так и выявление уже имеющихся инновационных разработок для их внедрения в практических целях. И, наконец, создаются условия для конструктивного и технологического использования инноваций при создании образцов авиационной и космической техники.

Какие же проблемы возникают на этом пути?

Традиционно в таких случаях называются проблемы финансирования. Однако в данной ситуации в качестве приоритетных выступают проблемы прогноза требуемых характеристик и качеств образцов техники, информационного обеспечения их проектирования с использованием инновационных идей, материалов и технологий, моделирования вариантов конструктивных и технологических решений, их оценки с учетом психофизиологических возможностей человека для обеспечения профессиональной надежности его деятельности. Решение задачи обеспечения конкурентоспособности отечественных разработок становится возможным при условии существенного сокращения времени на проектирование и испытания авиационных комплексов при обеспечении качества и объема требуемых работ. Без широкого использования в этом случае современных вычислительных средств не обойтись. Они позволяют быстро и качественно обрабатывать большие массивы информации и значительно расширяют возможности совместной обработки данных.

Практическое применение суперкомпьютеров в интересах инновационного развития экономики, науки и образования должно стать одним из приоритетов научно-технической политики государства. Традиционной сферой их применения являются научные исследования физики плазмы и конденсированных сред, молекулярной и атомной физики, газовой динамики и турбулентности, квантовой химии, молекулярной динамики, химической кинетики, поверхностных явлений, конструирование лекарств. Однако не меньшие перспективы открываются при использовании суперкомпьютера в интересах инновационного развития аэрокосмической отрасли. В связи с этим технологическое перевооружение аэрокосмической отрасли на базе новых информационных технологий, повышающих уровень автоматизации разработки образцов авиационной техники и производительность труда, становится задачей государственной важности. Перевооружать предстоит не только авиационную промышленность, но и то, без чего она не может развиваться: соответствующие научные направления и образовательную деятельность.

Россия не может и не должна отставать в разработках отечественных суперЭВМ. Однако стремление во что бы то ни стало догнать ведущие страны мира по производительности суперкомпьютеров, не является решающим условием перевода экономики, науки и образования на инновационный путь развития. Да, отсутствие возможностей широкого применения суперЭВМ сдерживает инновационное развитие экономики и делает принципиально невозможным успешное развитие ряда научных исследований. Но создание или приобретение нескольких, даже очень мощных суперкомпьютеров не поможет решить эту проблему. И дело не в стоимости их приобретения и затрат на поддержание работоспособности. Для этого и промышленность, и наука, и образование должны пройти свой путь применения новых информационных технологий для создания инновационного продукта и его ускоренного внедрения практику. В связи с этим важно уже сегодня учесть зарубежный, в том числе и негативный опыт эффективного использования суперкомпьютеров в экономике, науке и образовании.

В частности, речь идет о целесообразности определенного уровня унификации программ, методов и информационных технологий, применяемых в отдельных узлах, системах, комплексах сложных образцов техники. Не секрет, что на предприятиях используются одни технологии, в аэрокосмических вузах обучают другим, а научные исследования ведутся на своей технологической базе. В результате возникают пробелы в подготовке, разрывы в технологиях, отказы при эксплуатации техники.

В связи с этим формирование центров коллективного пользования суперкомпьютерами предприятиями отрасли, учебными заведениями и научными организациями может способствовать внедрению в отечественной промышленности, науке и образовании единых технологий, позволяющих существенно повысить уровень унификации элементной базы изделий, сопряжения технических систем, внедрения модульных блоков и узлов при проектировании образцов авиационной и космической техники. При этом единые технологии становятся важным слагаемым инновационного процесса, приобретающего самостоятельное значение и системные свойства интеллектуального и информационного продукта. Не случайно единые технологии рассматриваются в качестве самостоятельной правовой категории и объекта правового регулирования рынка интеллектуальной собственности. Для расширения возможностей проведения высокопроизводительных вычислений в интересах инновационного развития аэрокосмической области предполагается применить динамическую серверную платформу нового поколения, состоящую из нескольких вычислительных блоков и одного резервного блока, блока визуализации, коммутатора, модуля управления и жестких дисков объемом около 6,0 Tb.

Вычислительные блоки состоят из нескольких 2-ядерных процессоров, поддерживающих несколько операций с плавающей точкой с быстродействием свыше 35.2 Gflops. Базовый вычислительный стеллаж с серверными модулями может поддерживать быстродействие около 300 Gflops при выполнении отдельных операций (решении уравнений, вычислительных операций и т.п.). Достижение быстродействия в 1–1.5 Tflops обеспечивается установкой 4–6 вычислительных стеллажей.

Серверная платформа характеризуется высоким средним временем наработки на отказ, автоматическим обнаружением и исправлением сбоев, возможностью динамической реконфигурации, целостностью данных, высокой реальной рабочей нагрузкой и пропускной способностью подсистемы ввода-вывода, масштабированием по числу процессоров и защитой данных.

Обладающая такими характеристиками высокопроизводительная отказоустойчивая перестраиваемая система может эффективно использоваться для хранения информации и создания сверхбольших баз данных для специалистов, проектирующих и эксплуатирующих авиакосмическую технику, выполнения связанных с этим трудоемких вычислений и исследований, обеспечения взаимодействия смежных организаций и предприятий, управления качеством образовательной деятельности и проведения научных исследований по тематике суперкомпьютеров.

В интересах проектирования авиакосмической техники суперкомпьютер обеспечит возможность проведения трудоемких расчетов распределения давления при обтекании летательного аппарата и выбора характеристик, удовлетворяющих требованиям экологии. Существует еще целый ряд задач проектирования образцов техники, требующих для своего оперативного решения характеристик высокопроизводительной вычислительной системы. Прежде всего это визуализация воздушной и наземной обстановки для моделирования и обеспечения безопасности полетов в сложных условиях, определение параметров и характеристик информационного обеспечения профессиональной надежности летчика. Реализуемой становится задача обработки и анализа в реальном масштабе времени качества деятельности летчика, его функционального состояния и визуализации этих данных для управления надежностью и принятия решений о выборе средств и алгоритмов работы летчика, обеспечивающих требуемый уровень безопасности полетов. Но речь идет не только о процессе проектирования новых авиационных комплексов, но и об обосновании инновационных решений, подходов и технологий их создания. Именно здесь кроются мощные резервы сокращения времени разработки и постановки на производство авиационной техники. Без всеобъемлющего предпроектного моделирования эксплуатации этой техники, учета человеческого фактора при ее создании, оптимизации организационного управления применением авиации добиться конкурентоспособности отечественной продукции не представляется возможным. В связи с этим возникает необходимость, во-первых, развернуть полномасштабные исследования в интересах разработки моделей, пригодных для использования на этапах создания и эксплуатации авиационной и космической техники, и, во-вторых, использовать для проведения расчетов современные вычислительные комплексы.

Без возможностей суперкомпьютера невозможно подступиться к решению проблем моделирования физиологических систем организма и системной психической регуляции мозговой активности человека. Только с его помощью можно обеспечить полный цикл моделирования деятельности летчика от взлета до посадки в условиях различной информационной нагрузки и изменения функционального состояния в полете, оценки пространственного положения летательного аппарата и управления бортовыми комплексами в сложных условиях при различных системах индикации и действии неблагоприятных факторов полета. В результате такого моделирования представляется возможным получить ясное представление о взаимосвязи психических процессов в осуществлении целостных предметных действий, определяющих профессиональную надежность летчика в полете.

Сегодня одной из причин снижения работоспособности, а порой и развития психосоматических расстройств является информационный стресс, возникающий в результате неуправляемого воздействия потока информации на органы чувств человека. В связи с этим задача оптимизации информационного обеспечения деятельности человека, нормирования умственной нагрузки по содержанию, объему и темпу поступления информации становится неразрешимой без моделирования психической активности и расчетного обоснования индивидуальных путей, методов и способов нормализации умственной активности. Для подготовки таких рекомендаций требуется проведение сложных вычислений с использованием огромного количества переменных. Высокопроизводительную систему предполагается использовать для исследования и моделирования человеческого организма. В частности, рассматриваются возможности ее использования для расшифровки мозговых кодов преобразования информации в процессе пространственной ориентировки, выявления факторов устойчивости и переносимости летчиком воздействия больших, длительных и знакопеременных перегрузок, прогнозирования профессиональной надежности летчика в зависимости от его конституции, особенностей психических процессов, состояний и профессионально важных качеств личности. Перспективным является и разработка биомеханических моделей двигательной активности человека в интересах создания современных систем управления летательными аппаратами и, особенно, вертолетом, а также экзоскелетов, адаптивных к особенностям построения и регуляции движений человека.

Со временем представляется возможным использовать возможности суперкомпьютера и для индивидуального по отношению к летчику и космонавту проектирования баланса экологической системы их жизнедеятельности в зависимости от условий, параметров и факторов деятельности. Создаются условия для перехода к индивидуальному выбору и дозированию биологически активных веществ и фармакологических препаратов для адаптации, реабилитации или лечения летчика или космонавта с учетом особенностей его функционального состояния, гуморальной регуляции и индивидуальной чувствительности систем, органов и тканей.

Важным аспектом применением суперкомпьютера станет повышение уровня научного аэрокосмического образования и проводимых исследований, технологической подготовки и создание системы подготовки научных кадров, отвечающей требованиям ХХI века.

Особые возможности для повышения качества и сокращения сроков создания авиационных комплексов появляются при использовании высокопроизводительных вычислительных систем: суперкомпьютеров, мейнфреймов и других комплексов. Применение суперкомпьютера способно существенно сократить этап испытаний авиационной и космической техники. Но для этого необходимы соответствующие модели, иерархическая система показателей и критериев оценки соответствия техники предъявляемым требованиям, в том числе по обеспечению профессиональной надежности лиц, ее эксплуатирующих. Пока имеющаяся разнородная информация, например, о человеке, еще не готова к совместной обработке ни по форме описания, ни по алгоритмам накопления, обработки и анализа, ни по включению в проектные и эксплуатационные модели человеческой активности. Отсюда вытекает потребность в постановке исследований, способных обеспечить эффективное использование разнородных данных в интересах моделирования аспектов трудовой деятельности человека, в том числе в процессе проектирования и эксплуатации авиационной и космической техники.

Предстоит пройти большой путь исследований потенциала и области применения самих суперкомпьютеров для решения всей массы задач моделирования и обоснования конструкторских решений и подготовиться к грамотному и эффективному его использованию специалистами, занимающимися проектированием, созданием, испытаниями и эксплуатацией авиакосмической техники.

Представляется, что изложенного выше достаточно, чтобы признать целесообразным создание регионального предметно-ориентированного суперкомпьютерного центра аэрокосмической отрасли, науки и образовательной деятельности. Для его функционирования достаточно упомянутой выше высокопроизводительной системы, способной обеспечить решение большей части задач инновационного развития авиации и космонавтики и, самое важное, создать условия для совместного использования аэрокосмическими предприятиями, научно-исследовательскими организациями и учебными заведениями суперкомпьютеров, обладающих производительностью, большей на несколько порядков.

Безусловно, без государственной поддержки создания такого суперкомпьютерного центра рассчитывать на успех не приходится. Однако другого пути перевода отечественной аэрокосмической промышленности, науки и образовательной деятельности на инновационный путь развития и обеспечения их конкурентоспособности на мировом рынке, нет.

Источник: Международный авиационно-космический журнал "Авиа-панорама" № 6 (72) 2008 г.