Нейросетевая библиотека для быстрых аэродинамических расчетов

Нейросетевая библиотека для быстрых аэродинамических расчетов

Новый инструмент позволит облегчить решение сложноструктурированных задач

В Московском авиационном институте разработали программное обеспечение для ускорения сложных инженерных расчетов в авиационной отрасли. Однотипные аэродинамические расчеты исследователи МАИ заместили нейросетевыми методами.

Рабочая группа проекта по нейросетевой аэродинамике МАИ

Фото: МАИ

Созданная нейросетевая библиотека, которая продолжает пополняться, позволит с приемлемой точностью выполнять на обычном домашнем ПК задачи, требующие сегодня использования самых мощных суперкомпьютеров.

Проект выполняется на базе лаборатории искусственного интеллекта и математического моделирования института №8 «Компьютерные науки и прикладная математика» МАИ. Эта работа была начата в рамках отдельного постановления правительства РФ, в котором университет играет роль главного разработчика нового отечественного программного обеспечения для комплексных мультифизических расчетов в области авиации.

«При проектировании нового вида авиационной и космической техники на этапе выбора оптимальной конфигурации образца требуется производить множество расчетов на суперкомпьютерах. В частности, исследователи занимаются детальным моделированием аэродинамических процессов, что является одной из самых долгих и трудозатратных частей работы,— рассказал участник проекта, ведущий разработчик научно-исследовательского отдела кафедры 806 “Вычислительная математика и программирование” МАИ Вадим Кондаратцев.— Для того чтобы перебрать как можно больше вариантов компоновки летательного аппарата или чтобы посчитать 5 секунд полета традиционными методами вычислительной аэродинамики, требуется затратить целые месяцы работы больших суперкомпьютеров. Чтобы решить проблему скорости типовых расчетов, мы и создаем нейросетевой аналог классических методов решения подобных задач. Ведь нейросети могут хорошо делать быстрые предсказания в сложноструктурированных задачах».

Библиотека программного комплекса была написана на Python и С++, а нейросети — на базе фреймворка PyTorch. В своей работе специалисты МАИ использовали самые современные архитектуры: физически-информированные нейронные сети (PINN) и графовые нейросети (GNN).

Разработчики встроили в свою библиотеку модуль генерации данных для почти любого, даже самого сложного случая обтекания тела. Получив набор сгенерированных данных, нейросети обучаются на них, а затем проводят быстрые расчеты без использования суперкомпьютеров. Модуль генерации данных построен на основе программного обеспечения для моделирования процессов динамики жидкости и газа, а именно — CFD-решателей «Логос» и OpenFOAM.

Маевская разработка не имеет аналогов на отечественном рынке. При этом в мире только шесть коллективов занимаются подобной задачей, включая специалистов института №8 МАИ. Программное обеспечение ученых МАИ сопоставимо по уровню с продуктами одного из лидеров в сфере инженерного ПО — американской компании Ansys Inc.

Рабочая группа проекта по нейросетевой аэродинамике МАИ

Фото: МАИ

В качестве главного индустриального заказчика МАИ выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, которое субсидирует разработку для внедрения на предприятиях авиационной промышленности. На данном этапе специалисты тестируют первую версию библиотеки и планируют до конца года получить вторую версию с более широким функционалом и лучшим качеством обученных нейросетей. Также в ближайшем времени разработку планируется запатентовать.

Вадим Кондаратцев, ведущий разработчик научно-исследовательского отдела кафедры 806 «Вычислительная математика и программирование» МАИ, ответил на вопросы «Ъ-Наука»:

— Ваша разработка уже используется для проектирования реальной техники? Если да, можете ли перечислить, в каких проектах она применяется? Если еще нет, то как скоро состоится ее внедрение?

— Еще не используется. В данный момент разработка на стадии тестирования и доработки. В рамках цельного комплекса наша библиотека начнет тестироваться на предприятиях в декабре, и по плану начало разработки техники на реальных предприятиях состоится в следующем году.

— Кто первым начнет применять ваше ПО: какие КБ уже внедряют или заинтересовались?

— Первыми нашу разработку в составе общего комплекса от МАИ начнут тестировать и применять такие предприятия, как «ОКБ Сухого», КТРВ, ГНПП «Регион», МКБ «Вымпел».

— Существуют ли перспективы экспорта этой технологии, есть ли на мировой арене потенциальные заказчики?

— Данная разработка в первую очередь направлена на усиление обороноспособности страны, но имеет коммерческую перспективу. В данный момент не рассматривается возможность экспорта. Мы нацелены на российский рынок.

— Можно ли провести прямое сравнение и сказать, во сколько раз дешевле / быстрее оказывается проектирование с применением вашего ПО?

— До 70% времени использования вычислительных ресурсов при проектировании нового вида авиационной техники уходит на аэродинамические расчеты. Наш модуль позволяет время одного такого расчета сократить от 2 до 1000 раз. Прирост в скорости выполнения всего проекта можно считать исходя из этого показателя.

— Вы говорите о применении вашего ПО для выполнения инженерных расчетов при проектировании авиа- и космической техники. Можно ли ее адаптировать для применения в других отраслях, где требуются сложные инженерные расчеты (возможно, в автомобиле-, судостроении, в оборонной промышленности, может быть, в проектировании зданий и инженерных сооружений)? Существуют ли такие планы?

— Да, адаптировать можно, и такой план есть. В первую очередь наша модель хорошо адаптируется для задач гидродинамики, а значит, с ее помощью можно будет рассчитывать сложные задачи в области проектирования морской и подводной техники.

Подготовлено при поддержке Минобрнауки