Szimuláció és optimalizáció projekt

Szimuláció és optimalizáció – Célzott numerikus matematikai alapkutatás komplex fizikai folyamatokra és termelési rendszerekre a Széchenyi István Egyetemen nemzetközi kutatói team kialakításával

Összefoglaló projekt leírás letölthető itt.

TÁMOP-4.2.2-08/1-2008-0021

Vezetői összefoglaló

Melyik gyártmányfejlesztő ne szeretné, hogy gyorsan, alacsony költségráfordítással (pl. nyersanyagköltségek, rengeteg gépi és emberi munkát felemésztő próbálkozások nélkül) jobb terméket fejleszthessen, mint ami a hagyományos módszerekkel elérhető? Melyik gyártástervező ne akarná, hogy az elvégzendő munkamennyiséghez szükséges munkaidőt akár csak egy órával is lerövidítse? Aligha találunk ilyen ipari vezetőt.

A kulcs, amivel a komoly gazdasági előnyt jelentő eredmények elérhetővé válnak, nem más, mint a megfelelő ipari folyamatoknak – a legújabb hardverek adta lehetőségeknek köszönhető – rendkívül gyors számítógépes szimulációja, valamint a szimulációs eredményeken alapuló automatizált optimalizálás. A szimuláció és optimalizálás területéhez kapcsolódó matematikai, számítástudományi és informatikai módszerek fejlesztéséhez elengedhetetlen a professzionáis alapkutatási tevékenység.

A Széchenyi István Egyetem (SZE-Győr) Járműipari Regionális Egyetemi Tudásközpontjában zajló számítógépes szimulációk során mindezen fejlesztési igények közvetlenül jelentkeztek, egyben nyilvánvalóvá váltak a korábbi kutatási módszerek határai. A kereskedelmi forgalomban lévő mérnöki szoftverekkel már nem lehetett a rendelkezésre álló hardveren rövidebb idő alatt ugyanazon számítási eredményt elérni. Ezt felismerve a győri egyetem a jelen kiadványban bemutatott projekt keretében olyan nemzetközi kutatói csoport létrehozását tűzte ki célul, amely célirányosan kiválasztott témák alapkutatása révén az ötéves kutatási időszak alatt az ipar számára hasznos terméket létrehozását segíti elő. A kutatások sikeréhez hozzájárul, hogy a SZE-Győr átfogó fejlesztési programja keretében több szuperszámítógépet és csúcstechnológiás szoftvereket is beszerzett az egyetem, emellett korszerűbb lett az intézmény informatikai hálózata.

A projekt egyik legfontosabb eredménye, hogy létrejött Győrben egy tehetséges fiatal kutatókból álló csoport a numerikus matematika területén, amely rengeteg szállal kapcsolódik bele a nemzetközi kutatói társadalomba: közös feladatokon dolgozunk a világ különböző országaiban élő kutatókkal, nemzetközi konferenciákat szervezünk itthon és külföldön, közösen publikációkat is megjelentetünk. A projekt támogatási időszaka alatt máris kiváló, ígéretes elméleti eredmények és kódok születtek, kijelölve egyúttal a kutatási folyamat következő feladatait.

A projekt megvalósításának köszönhetően Győr még jobban láthatóvá vált a nemzetközi tudományos térképen, a világ élvonalába tartozó kutatók szívesen jönnek el hozzánk, s mi, magyarok is intenzívebben kapcsolódunk be külföldi kezdeményezésekbe, számos rangos konferencián mutathatjuk be valóban jelentős eredményeinket. A kutatások tapasztalatai a Széchenyi István Egyetem képzési anyagába is beépülnek.

Dr. Horváth Zoltán

projektvezető, kutatási programigazgató

 

A jövő Győrben épül

A Széchenyi István Egyetem az egyik legdinamikusabban fejlődő hazai felsőoktatási intézmény, amely 15 milliárd forint összértékű, 2013-ig tartó átfogó fejlesztési programot valósít meg. A több mint 20 különböző, ám egymással összefüggő projekt elsődleges célja, hogy a hallgatók inspiráló, XXI. századi környezetben, korszerű eszközök segítségével sajátíthassák el a naprakész ismereteket, s ennek révén alkalmazható tudással felvértezve lépjenek ki az egyetem falai közül. E törekvés értékes visszaigazolásaként az itt végzettek 95%-a fél éven belül el tud helyezkedni, döntő többségük a tanult szakmájában.

 

Projektadatok

A projekt neve:

Szimuláció és optimalizáció – Célzott numerikus matematikai alapkutatás komplex fizikai folyamatokra és termelési rendszerekre a Széchenyi István Egyetemen nemzetközi kutatói team kialakításával

Projektazonosító:

TÁMOP-4.2.2-08/1-2008-0021

A projekt időtartama:

2009. szeptember 1. - 2011. augusztus 30.

Kedvezményezett:

Széchenyi István Egyetem

Az Európai Unió és a Magyar Állam által nyújtott támogatás összege:

291.939.640.- Ft

A projekt teljes költsége:

343.458.400.- Ft

A projekt célja:

A Széchenyi István Egyetem „Szimuláció és optimalizáció” projektjének célja egy kutatói team felállítása, működtetése és fenntartása a numerikus matematika innovációt célzó területein. Ez a nemzetközi kutatócsoport a szimuláció és optimalizáció területét érintő alapkutatásokat végez, publikálja az elért eredményeket és bevezeti azokat az egyetemi oktatásba.

A projekttevékenység fontos eleme a szakmai kapcsolatépítés, egy nemzetközi kutatási hálózat kialakítása, egyszerre népszerűsítve és gazdagítva ilyen módon a SZE-Győr tudományos tevékenységét.

A fejlesztés elemei:

- multi- és transzdiszciplináris kutatói team kialakítása

- nemzetközi kutatási kapcsolatok erősítése

- alapkutatások végzése, eredmények publikálása

- fiatal kutatók, predoktorok képzése

- innovációk megalapozása

- a kutatói team fenntartása az elért eredményekre alapozott kutatás-fejlesztési és innovációs (K+F+I) projektekkel

 

A kutatás célja

A „Szimuláció és optimalizáció” kutatási program ötletét a Széchenyi István Egyetem Járműipari Regionális Egyetemi Tudásközpontjában a projekt kezdete előtti években folytatott, ipari indíttatású számítógépes szimulációs kutatómunkák adták. Ezek közül az alábbiak kerültek jelen projekt fókuszába.

1.Autó körüli légáramlás által a külső tükör réseiben keltett zaj megállapítása. A teljes LES (nagy örvény szimuláció) lefuttatásához 15 millió cellás hálón 6 napra volt szükség 8 processzormagon.

 

2.Járműmotorban található szívócső alakjának optimalizálása az áteresztett levegő tömegáramának maximalizálására. Egy automatizált optimalizálási folyamat 8 óra munka alatt 100 függvénykiértékelést tudott végrehajtani és mintegy 8%-kal javította a légáteresztési tényezőt (pirossal az optimalizált szívócső).

3.Ipari gyártósor felrakási sorrendjének optimalizálása a teljes megmunkálási idő minimalizálására, nagy gép- és munkaszám esetén. A mellékelt ábrákon egy valós gyártósor szimulációjának kezelőfelülete, valamint az optimalizáció lefolyását bemutató grafikon található; az optimalizáció jelentős javítást hozott, de hozzá 10 óra volt szükséges.

E korábbi kutatási projektek mindegyike jelentős mérnöki feladatot oldott meg az adott komplex folyamat számítógépes szimulációjával, valamint – a 2. és 3. esetben – a szimulációk által kapott mennyiségek (tömegáram, ill. teljes megmunkálási idő) optimalizálásával. A folyamatok összetettsége miatt viszont a kereskedelmi forgalomban kapható mérnöki szoftverekkel, modern hardverkörnyezetben sem volt lehetséges olyan rövid idő alatt megválaszolni a kérdéseket, hogy azok egy feszített munkaidejű gyártásfejlesztésben, illetve gyártástervezésben használhatóak legyenek.

A fentiek alapján adódott egy olyan kutatási csoport kialakításának igénye, amely numerikus matematikai algoritmusokat fejleszt az ezek kipróbálásához nélkülözhetetlen kutatásra használt számítógépes implementációkkal, amelyek komplex fizikai, elsősorban áramlásokhoz kapcsolódó folyamatokat szimulálnak, azok számított paramétereit optimalizálják, valamint termelési rendszereket modelleznek és optimalizálnak. A kutatás arra irányul, hogy mindezt lényegesen gyorsabban érjük el, mint az összehasonlítás alapjául szolgáló mérnöki szoftverek.

Fontosabb kutatási témák

A jelzett kutatási célok elérése érdekében a projekt részeként „Szimuláció és optimalizáció” kutatócsoport alakult a Széchenyi István Egyetemen. Az alap- és célzott alapkutatási témák kiválasztása az előzőekből adódik: gyors numerikus számítások a fizikai folyamatok szimulációinak alapjait jelentő parciális differenciálegyenletekre, valamint optimalizálás nagy számításigényű folytonos változójú célfüggvényekre, illetve nagyméretű diszkrét rendszerekre. A kutatócsoport a működés első két évében, 2011. augusztus 30-ig alapkutatási tevékenységeket végzett az alábbi innovatív kutatói teamekben:

1.Párhuzamos számítások

2.Hardvergyorsítók

3.Parciális differenciálegyenletek numerikus módszereinek analízise

4.Globális és nemlineáris optimalizálás

5.Diszkrét optimalizálás

6.Áramlási folyamatok numerikus szimulációja és optimalizációja

7.Optimalizálási módszerek alkalmazásai

Az innovatív kutatói teamekben folyó tevékenységekben a győri egyetem alkalmazottai és külső – magyarországi és külföldi – kutatók vettek részt. Ezt a kört – elsősorban fiatal, tehetséges matematikus, fizikus, informatikus hallgatók bevonásával – jelentősen szélesítettük és célzottan meghívott külső kutatók meghívásával mélyítettük. A fiatal kutatók közül többen időközben a SZE-Győr nappali tanrendű doktorandusz-hallgatói, illetve a Matematika és Számítástudomány Tanszék tanársegédei lettek. A kutatói csoport győri magját a szakterület több nemzetközileg elismert képviselője erősíti meg, akik több világviszonylatban jelentős eredmény, módszer közvetlen tapasztalatát és további nemzetközi kapcsolatokat hoztak a kutatócsoportba.

Alprojektek

Parmod szimulációs környezet kialakítása és fejlesztése

Parmod - NX Nastran csatolás

Parciális differenciálegyenletek numerikus módszereinek elemzése

Diszkrét optimalizálási kutatások és alkalmazásuk ütemezési feladatok megoldására

Globális optimalizálási módszerek hosszú kiértékelési idejű célfüggvények optimalizálására

 

Tudományos rendezvények

A projekt megvalósításához számtalan megbeszélést, munkatalálkozót tartott a kutatói csapat. A Szimuláció és Optimalizáció kutatócsoport által szervezett nagyobb rendezvények a következők voltak:

 

  • 2009. október 8-9. Kick-off meeting
  • 2010. február 25-26. Nyitórendezvény
  • 2010. szeptember 29.-október 1.: PARACC – Workshop on Parallel and Accelerated Computing
  • 2011. február 2: Workshop on Positivity
  • 2011. június 29-július 1.: Conference on Simulation and Optimization

 

 

Gondolatok, tapasztalat

Rendezvényeinken világhírű matematikusok fordultak meg, adták elő kutatási eredményeiket illetve konzultáltak kutatóinkkal.

A projekt során kialakult kutatócsoport felkerült a világtérképre.

Többen közülük nem csak egy-egy rendezvényünkre jöttek el, hanem visszatértek Győrbe, és vissza is fognak térni, hogy tovább folyjon a közös munka.

Nagyon jó benyomással és jó élménnyel tértek haza az itt járt vendégek, akik tovább viszik a kutatócsoport, így a győri egyetem jó hírét is.

A projekt során több győri kollégánknak volt lehetősége részt venni nagy nemzetközi konferencián, vagy látogatott meg partneregyetemeket, ahol más szemléletmódról, más körülményről szereztek nemzetközi tapasztalatot, amit az itthoni munkájuk során tudnak kamatoztatni.

A nemzetközi tapasztalatcsere rávilágított arra is, hogy jó irányba halad a munkánk, és benne vagyunk a szakma pezsgésében.

A PARACC-ról elmondhatjuk, hogy témájában eddig talán a legnagyobb hazai szervezésű konferencia, amelyen 20 ország 30 kutatója tartott előadást a párhuzamos számítások legújabb algoritmusairól és hardveres megvalósítási technikáiról. Nagy sikere volt a konferenciának, több kiemelt előadója azóta visszajött az egyetemre ismételten előadni, vagy bekapcsolódott kutatásunkba. Az előadásokat feltöltöttük a SZE-TV-re, a nagy érdeklődésre tekintettel.

 

Szakmai értékelés

A „Szimuláció és optimalizáció” interdiszciplináris kutatási project eredményei messze meghaladják az eredetileg kitüzött célokat. A project eredményeként a Széchenyi István Egyetemen létrejött a egyfiatal, dinamkus, a modern numerikus matematika, optimalizálás es szimuláció eredeményeit nagy teljesítményü számítási módszerek fejlesztésével ötvözö, és azokat a világ élvonalával verszenyképesen, komplex fizikai folyamatokra, termék tervezésre és termelési rendszerek optimalizálására alkalmazó kutatócsoport.

A projekt nemzetközi aktivitása, a project eredményeinek a nemzetközi tudományos életbe való népszerüsítése, a fiatal kutatócsoport tagjaniank a nemzetközi tudományos életbe való bevezetése, a project kivételes eredményeit és nemzetközi hatását is fémjelzö –a világ élvonalát reprezentáló kutatók részvételével megrendezett konferenciák a világ bármely egyetemének kiemelkedö eredménye lett volna. A 2011 júliusában megrendezett záró konferencia kiválóan reprezentálta a project eredményeit és hatását:

 

  • módszertani eredmények: elméletileg jól megalapozott algorithmusok és párhuzamos számítási módszerek kifejleszése, konvergencia és komplexitási tulajdonságok elemzése;
  • ipari alkalmazások: termék tervezés és termelési folyamat optimalízálás ipari, elsösorban jármüipari feladatok megoldása;
  • nemzetközi hatás: a világ bármely egyeteme, kutatócsoportja büszke lenne a konferencián felvonult nemzetközi kutatócsoportra. Az Egyesült Államokból Kalifornia, Illinois, Pennsylvánia, és New York, Európából Ausztria, Hollandia, Német, Lengyel, Orosz és Törökország vezetö kutatói mutatták be legújabb eredményeiket.

 

 

A project felbecsülhetetlen, messze a project idökeretén túlmutató hosszú távú hatása aa, hogy a Széchenyi Egyetemen létrejött egy tehetséges fiatal kutatókból álló kutatócsoport amely ezer szállal kapcsolódik a nemzetközi kutatói életbe, közvetlenül találkozva és dolgozva a világ különböző országaiban dolgozó vezetö kutatókkal. A projekt várakozáson fgelüli sikereinek köszönhetően a Széchenyi Egyetem felkerült nemzetközi tudományos élet térképére a „Szimuláció és optimalizáció” területén.

 

Hogyan tovább?

A projekt során számos olyan kiemelkedő eredmény született, amelyeket érdemes folytatni. A folytatást két vonalon tervezzük véghezvinni. Egyrészt a piacképes alapkutatási eredményekből lehetőség szerint terméket kell fejleszteni; itt elsősorban a gyártásütemezésben felhasználható diszkrét optimalizálási algoritmusok, kódok - amelyek a projekt során bizonyítottan jól működtek, különösen ipari jellegű feladatokon –, valamint a folytonos optimalizálási RSS előfeldolgozó szoftverizálására gondolunk. Ezen feladatok megoldásában támaszkodni kívánunk az egyetem Tudásmenedzsment Központjának közreműködésére. Másrészt az alapkutatási témák közül a Parmod letisztítása és további fejlesztése új, magasrendű módszerekre épülő szimulációk beépítésével, a pozitivitási kutatások folytatása, valamint a diszkrét, illetve a folytonos optimalizálási algoritmusok kutatásával. A kialakult kutatói team ezek sikeres folytatásához jó alapot ad; meg kell keresni a kutató csoport további aktív működéséhez szükséges forrásokat – ez fontos feladata a szakmai és adminisztratív projektmenedzsmentnek.

 

A projekt munkatársai

Dr. Horváth Zoltán – projektvezető, kutatási programigazgató

Dr. Terlaky Tamás – kutatásvezető

Varga Rozália – projektmenedzser

Marek Mária – projektasszisztens

Kalmárné Varga Katalin – pénzügyi munkatárs

 

PIB

Dr. Szekeres Tamás – rektor, PIB elnök

Barth János .- gazdasági és műszaki főigazgató

Szilasi Péter Tamás - stratégiai és fejlesztési igazgató

 

A projekt megvalósításában részt vett projekttagok, konzulensek és célzottan felkért kutatók

Széchenyi István Egyetem oktatói, dolgozói, diákjai:

•Csábi Béla

•Diósi Gábor

•Egri Attila

•Eőry Krisztián

•Fülep Dávid

•Gáspár Csaba

•Hajba Tamás

•Harmati István

•Hatwágner Ferenc Miklós

•Hetényi Tamás

•Horváth András

•Horváth Gábor

•Horváth Orsolya

•Horváth Tamás

•Horváth Zoltán

•Jósvai János

•Kallós Gábor

•Kiss-Tóth Christian

•Kóczy T. László

•Kocsis Albert Tihamér

•Környei László

•Krankovits Melinda

•Kuti Zoltán

•Lotfi Abdelhakim

•Lovas Szilárd

•Lukács Antal

•Mándli Péter

•Morauszki Tamás

•Nagy András Lajos

•Németh Adrián

•Pozna Claudiu Radu

•Pukler Antal

•Pusztai Pál

•Simonné Szabó Klára

•Szalay Krisztina

•Szörényi Miklós

•Takács Gábor

•Takács Krisztián

•Tánczos Ladislav

•Tóth Gábor

•Tóth Krisztián

•Tóth Péter

•Varjasi Norbert

 

Külső intézmények kutatói:

•Auzinger, Winfried - Vienna University of Technology

•Balázs Krisztián – BME

•Bestle, Dieter - Brandenburg University of Technology, Cottbus

•Bihari Barna - Lawrence Livermore National Laboratory

•Brown, Jed – Argonne National Laboratory

•Conn, Andrew R. - IBM's T.J. Watson Research Center

•Crouzeix, Michel - Université de Rennes

•Csendes Tibor – Szegedi Tudományegyetem

•Deák István – Corvinus Egyetem

•Egyed Boglárka – ELTE

•Fuhrmann, Jürgen - WIAS Berlin

•Gyurkovics Éva – ELTE

•Haase, Gundolf – University of Graz

•Hundsdorfer, Willem - Centrum Wiskunde & Informatica, Nederland

•Illés Tibor – ELTE, BME

•Kaushik, Dinesh – KAUST, Szaúd-Arábia

•Ketcheson, David - KAUST, Szaúd-Arábia

•Knepley, Matthew – University of Chicago

•Komzsik Lajos  Siemens, (California)

•Lángi Zsolt – BME

•Liebmann, Manfred – University of Graz

•Linke, Alexander - WIAS Berlin

•Markót Mihály - University of Vienna

•Molnár Viktória – ELTE

•Nagy Attila - BME

•Nagy Tibor - ELTE

•Olshanskiy, Maxim - Moscow State University m. V. Lomonosov

•Skrzypacz, Piotr - Otto-von-Guericke University, Magdeburg

•Szebenyi Zoltán - Jülich Supercomputing Center

•Terlaky Tamás - Lehigh University Pennsylvania

•Tóth Árpád – ELTE

•Tóth János - BME

•Tóth Krisztián - Győr

•Turányi Tamás - ELTE

•Veres Gábor – MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet