Uwarunkowania czasowo-przestrzenne przetwarzania w systemach złożonych
(UPB.ES.20.001)
Okres realizacji: 2020
Cel pracy: Opis zjawisk i procesów zachodzących w systemach złożonych w czasie przetwarzania
Cel naukowy: Analiza uwarunkowań termodynamicznych oraz czasowo-przestrzennych procesów zachodzących w czasie przetwarzania w systemach złożonych. Opis na poziomie modeli matematycznych i symulacji.
Panująca sytuacja związana z rozwojem epidemii COVID-19 w skali całego świata sprawiła, że nastąpiła redefinicja niemal wszystkich aspekty funkcjonowania otaczającej nas rzeczywistości. Jest ona od strony termodynamicznej oraz modeli matematycznych opisywana przez teorię systemów złożonych. W obrębie tej teorii istnieje szereg potencjalnych zastosowań i aplikacji modeli zarówno matematycznych jak i inteligencji obliczeniowej. W zadaniu prowadzono badania, które miały na celu rozwój modeli matematycznych (m.in. rozwoju populacji, zastosowań sieci złożonych w energetyce) i inteligencji obliczeniowej (porównywanie parami).
Rozwinięto współpracę międzynarodową m.in. z: Laurentian University w Sadbury, Canada; King Abdulzaziz University, Jeddah, Saudi Arabia Kingdom, Silesian University Opava w Czechach.
Wymiernym udokumentowanym efektem realizacji zadania jest seria artykułów naukowych opublikowanych w czasopismach indeksowanych w bazach WoS/SCOPUS oraz wygłoszonych na międzynarodowych konferencjach naukowych.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Internet wszechrzeczy – uwarunkowania interakcji ludzi, procesów, danych i rzeczy. Zaawansowane metody numeryczne w zagadnieniach brzegowych
(umowa DS.ES.19.001)
Okres realizacji: 2018-2019
Cele badań: Opis zjawisk zachodzących podczas interakcji w ramach połączeń pomiędzy ludźmi, procesami, przetwarzanymi danymi oraz rzeczami przy uwzględnieniu ich nieekstensywnego charakteru w systemach informatycznych traktowanych jako systemy złożone ze szczególnym uwzględnieniem problematyki bezpieczeństwa.
Analiza zaawansowanych metod numerycznych do zastosowań związanych z zagadnieniami brzegowymi.
Uzyskane efekty:
W ramach zadania skupiono się na czterech istotnych obszarach, z których 1-3 odnoszą się do koncepcji Internetu Wszechrzeczy zaś 4 do problematyki zastosowań metod numerycznych.
- Poddano analizie szereg systemów informatycznych wskazując, że powinny one być traktowane jako systemy złożone. W publikacjach i wystąpieniach konferencyjnych zwrócono uwagę na fakt, iż współcześnie systemy informatyczne wskazują na występowanie zjawisk i procesów charakterystycznych dla systemów złożonych. Te rozważania były podstawą złożonego wniosku postępowania habilitacyjnego dra D. Strzałki.
- Prowadzono prace badawcze z zakresu odkrywania procesów biznesowych i przemysłowych z wykorzystaniem różnych metodologii, m.in.: BPMN, proces mining, proces discovery oraz podejścia opartego o pairwise comparsions. Ponadto wykonano bardzo szczegółowe analizy różnych danych związanych z bezpieczeństwem (wskazując na występowanie wielu istotnych naruszeń), i ich anonimizacją, open data, smart city oraz gamifikację także w podniesieniu efektywności kształcenia.
- W odniesieniu do procesów przemysłowych rozwijano koncepcje wynikające z zastosowań idei Software Defined Network - platformy sprzętowo-programowej umożliwiającej tworzenie oraz dynamiczne zarządzanie rozproszoną infrastrukturą teleinformatyczną wspierającą proces integracji elementów przemysłowych. Zaproponowano nowy warstwowy model odniesienia Remote Distributed Rapid Prototyping pozwalający na rozwijanie heterogenicznych, otwartych systemów szybkiego prototypowania w rozproszonym środowisku wpisującym się w model Internetu Wszechrzeczy. Zaproponowane rozwiązanie stanowi również odpowiedź na potrzeby Przemysłu 4.0 w obszarze tworzenia skalowalnych, kontrolowalnych i niezawodnych platform. Zaproponowano własne modele przepływów i ich interpretacje, pokazując, iż wiedza o procesach zachodzących w przedsiębiorstwie, tradycyjnie zakodowana w silnikach workflow czy instrukcjach biurowych, będąca w rozproszeniu, może zostać z sukcesem wykorzystana optymalizując przepływy danych lub strukturę sieci zwiększając wydajność procesów produkcyjnych.
- Przygotowano rozwiązywanie akustycznego zagadnienia brzegowego metodą meshless oraz w ujęciu całkowym i sformułowaniu wariacyjnym silnym Wspólnie z badaczami z Uniwersytetu Lizbońskiego przygotowano oprogramowanie (https://gitlab.com/cissic/freehyte-bmt) rozwiązujące wybrane zagadnienia brzegowe z wykorzystaniem bezpośrednich metod brzegowych.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Systemy złożone w energoelektronice, elektroenergetyce i informatyce. Badania systemów przetwarzania energii w tym z OZE. Uwarunkowania czasowo-przestrzenne przetwarzania rozproszonego.
(umowa U – 712/DS)*
* umowa realizowana wspólnie z pracownikami Katedry Energoelektroniki i Elektroenergetyki
Okres realizacji: 2016-2017
Cele badań: poprawa własności eksploatacyjnych i wskaźników energetycznych przekształtników energoelektronicznych pracujących w warunkach asymetrii obciążenia, analiza możliwości stosowania systemów oświetlenia dynamicznego, zapewniających zmienną charakterystykę fotometryczną, analiza możliwości wykorzystania specjalistycznego oprogramowania graficznego do komputerowej rewitalizacji obiektów historycznych, uzyskanie wyników poligonowych badań rozpływu prądów piorunowych, doprecyzowanie uwarunkowań termodynamicznych procesu przetwarzania w stanach dalekich od równowagi, określenie ich wpływu na wydajność i obciążenie systemu przetwarzającego w szczególności sieci sensorowych, transmisji VoIP i systemów modelujących procesy biznesowe, tworzenia efektywnych mechanizmów oraz narzędzi przeznaczonych do modelowania, symulacji oraz zarządzania rozproszonymi środowiskami systemów informatycznych.
Uzyskane efekty
Przeprowadzone badania wiązały się z problemami: generowania i przetwarzania energii elektrycznej z OZE, wykorzystania energii w źródłach światła (LED), poprawy jakości energii elektrycznej w systemach elektroenergetycznych, zastosowania w przemyśle nowych rozwiązań przekształtników półprzewodnikowych związanych z napędami wysokoobrotowymi oraz falownikami sterowanymi z nadmodulacją, zmniejszenia strat w przesyle i przetwarzaniu energii elektrycznej za pomocą przekształtników energoelektronicznych, optymalizacji zasilania w energię odbiorców komunalno-bytowych, optymalizacji oświetlenia elektrycznego (oświetlenie przyjazne dla człowieka), badania sieci powiązań alternatywnych źródeł energii dla rozwiązań energetycznych przy rozwoju miast i wsi. Realizowana tematyka była elementem problemów wpisujących się w koncepcję systemów złożonych. Systemy te stanowią w chwili obecnej także najważniejszy element szeroko rozumianej informatyki. Istnieje duża liczba znaczących rozwiązań technologicznych począwszy od klasycznych sieci komputerowych i sensorowych aż do przetwarzania w chmurze, gdzie problem wydajności jest nie tylko kwestią samej mocy obliczeniowej (przepustowości), ale także charakteru przetwarzanych zadań oraz interakcji pomiędzy poszczególnymi elementami systemu rozumianego jako całość. Opis zjawisk zachodzących w czasie przetwarzania jest znaczącym wyzwaniem nie tylko ze względu na rosnącą moc obliczeniową, ale także na stale zmieniający się charakter obciążenia. Dotyczy to uwarunkowań technicznych, sterowania ruchem, projektowania protokołów komunikacyjnych, modelowania natężenia ruchu, analizy statystycznej. Aktualny stan wiedzy pokazuje, że pełen obraz zjawisk zachodzących w takich systemach wymaga nowego ujęcia odwołującego się do podejścia systemowego (obecnie najlepszego). W zadaniu zrealizowano szereg prac o charakterze teoretycznym oraz eksperymentalnym mających na celu potwierdzenie przyjmowanych hipotez oraz weryfikacji modeli teoretycznych. W obszarze badań uwarunkowań czasowo-przestrzennych przetwarzania rozproszonego opisano zjawiska zachodzące w sieciach i systemach komputerowych w ujęciu systemów złożonych. Badania w obszarze systemów złożonych stanowią nowatorskie podejście opisu złożonych zjawisk zachodzących w systemach oraz sieciach elektroenergetycznych i komputerowych.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Mechanizmy samo-degradacji w systemach i sieciach komputerowych
(umowa U – 525/DS)
Okres realizacji: 2014-2015
Cele badań: opis problemu optymalizacji systemów i sieci komputerowych przy uwzględnieniu mechanizmów samodopasowania i samoadaptacji, które w warunkach krytycznych mogą prowadzić do degradacji wydajności lub degradacji struktury przestrzenno-czasowej. Opracowanie propozycji nowej struktury termodynamicznej prowadzącej do taksonomii systemów przetwarzania uwzględniającej uwarunkowania termodynamiczne.
Uzyskane efekty
Przeprowadzono szereg prac badawczych obejmujących zarówno warstwę sprzętową jak i programową w odniesieniu do systemów i sieci komputerowych. W pierwszej części realizowanego zadania skupiono się na wykonaniu serii eksperymentów odwołujących się do przetwarzania algorytmicznego i interakcyjnego na potrzeby opisu tego typu przetwarzania w kontekście uwarunkowań termodynamicznych dla stanów nierównowagowych. Zastosowano metody charakterystyczne dla nieekstensywnej mechaniki statystycznej, w tym: badanie zależności dalekosiężnych w czasie i przestrzeni, analizę samopodobieństwa statystycznego, dyfuzję anomalną, sieci i grafy złożone, obliczenia rzędu ułamkowego, systemy złożone.
Dodatkowo opracowano oryginalną aplikację utworzoną w środowisku LabVIEW, z zaimplementowanymi algorytmami wyznaczania współczynnika Hursta, będącego miarą samopodobieństwa i określenia zależności długoterminowych oraz multifraktalności ruchu sieciowego. Aplikacja jako aparat statystyczny do określenia cech ruchu sieciowego wykorzystuje m.in. metody statystyki R/S, metody wartości bezwzględnej oraz zagregowanej wariancji.
Ponadto, w pracach naukowych odniesiono się do wyżej wymienionych kwestii w zakresie sieci przewodowych, bezprzewodowych i sensorowych oraz możliwym zastosowaniu podejścia w warunkach rzeczywistych poprzez implementację samoorganizujących algorytmów bezprzewodowej komunikacji na prototypie wielowęzłowego pola sensorowego.
Przeprowadzane eksperymenty, symulacje oraz prace teoretyczne prowadzono tak, aby cechy charakterystyczne dla współczesnych systemów i sieci komputerowych (hierarchia struktury wykonawczej, graniczone zasoby, rozproszona struktura, nieokreśloność wszystkich warunków zewnętrznych oraz parametrów pracy, dowolna skala zjawisk) prowadziły do generacji zjawisk, których opis i zrozumienie jest możliwe tylko w kontekście systemów złożonych i zjawisk wyższych rzędów.
Opracowano algorytmy równoważenia obciążenia łączy, dokonano oceny i porównania wydajności wybranych systemów operacyjnych, opisano zjawiska wyższych rzędów w przetwarzaniu algorytmicznym i interakcyjnym (biorąc pod uwagę wpływ zachowania użytkownika, aplikacji, usług i systemu komunikacyjnego na wydajność systemu). Wykazano, że zjawiska czasowo-przestrzenne zachodzące w systemach i sieciach komputerowych charakteryzują się zależnościami multifraktalnymi.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Zmiana paradygmatu informatyki – inżynieria systemów złożonych
(umowa U – 8616/DS)
Okres realizacji: 2012-2013
Cele badań: zaproponowanie nowego, unikalnego paradygmatu podejścia do analizy i syntezy systemów i sieci komputerowych oraz prezentacja oryginalnych metod opisu systemów i sieci komputerowych.
Uzyskane efekty
Poddano weryfikacji zaproponowaną koncepcję nowego, uogólnionego podejścia do opisu szeroko rozumianej informatyki poprzez koncepcję teorii systemów złożonych ze szczególnym naciskiem na wykorzystanie metod i narzędzi charakterystycznych dla inżynierii systemów złożonych. Podejście to jest nowatorskie; zakłada interdyscyplinarny charakter działań oraz wymaga holistycznego spojrzenia na szeroki kontekst problemu. Na szczególną uwagę zasługuje zaproponowany model nieekstensywnej samoorganizacji systemów – koncepcja odwołująca się do termodynamiki nierównowagowej i mechanizmów dowolnego rzędu. W modelu tym, wychodząc z założeń kolejkowego modelu przepustowości systemu oraz czasu jego odpowiedzi przy uwzględnieniu ograniczoności zasobów, zaproponowano uogólnienie odwołujące się do koncepcji ułamkowości poprzez powiązanie parametrem samoorganizacji f równania Malthusa i Verhulsta. Na bazie propozycji przygotowano uogólnione rozwiązanie dla stanów równowagi termodynamicznej w systemie oraz określono dla jakich wartości parametrów modelu przepustowość X systemu w funkcji liczby zadań N osiąga wartość optymalną.
W projekcie wykazano, że odejście od klasycznego paradygmatu systemów prostych bazującego na termodynamice równowagowej, geometrii euklidesowej i klasycznej analizie matematycznej na rzecz ujęcia odnoszącego się do termodynamiki nierównowagowej, geometrii fraktalnej i mechanizmów rzędu dowolnego pozwala na zmianę paradygmatu i przyczynia się do redukcji stopnia niedopasowania elementów systemu. Wskutek konwergencji różnorodnych technologii, niedopasowanie potęguje się i nieuchronnie prowadzi do termodynamiki nierównowagowej. Przejście systemu do stanu nierównowagi termodynamicznej zależy również od wewnętrznej struktury elementów systemu. Wskutek tego w warunkach nierównowagi pojawiają się mechanizmy samoorganizacji na poziomie mikroskopowym o samopodobnych cechach fraktalnych. Efektem jest nie-ekstensywne wyłanianie się globalnych właściwości systemów złożonych na poziomie makroskopowym, które diametralnie różnią się od systemów prostych. Zmiana paradygmatu przyczynia się do zdyskontowania negatywnych skutków niedopasowania elementów oraz pozwala skutecznie sterować i zarządzać systemami złożonymi w skali globalnej poprzez skrócenie czasu odpowiedzi systemu, co jest równoznaczne z eliminacją procesów długoterminowych. Nowe ujęcie znanych już zagadnień pozwala zwrócić uwagę na te obszary, które do tej pory pozornie nie były związane z informatyką w sposób bezpośredni. W szczególności dotyczy to: mechaniki statystycznej i badań związanych z entropią, dynamiką zjawisk, zależnościami długozasięgowymi, geometrią fraktalną i obliczeniami rzędu ułamkowego. Poznanie mechanizmów rządzących systemami złożonymi może przyczynić się do uzyskiwania unikatowych rezultatów. Interdyscyplinarne i systemowe podejście do analizy problemów (holizm) jest alternatywą do wyczerpującego już swoje możliwości podejścia redukcjonistycznego. Obecnie jest to jedna z najszybciej rozwijających się gałęzi nauki z interdyscyplinarnym zastosowaniem (ekonomia, medycyna, nauki społeczne, gospodarka).
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Informatyka w kontekście termodynamiki nierównowagowej.
(umowa U – 7666/DS)
Okres realizacji: 2009-2011
Cele badań: określenie poziomu zależności długozasięgowych w czasie i przestrzeni w wybranych modelach złożonych systemów agendowych oraz analiza dynamiki procesów, w kontekście występowania zależności dalekozasięgowych oraz uwarunkowań termodynamicznych, zachodzących w systemach agentowych, systemach i sieciach komputerowych traktowanych jako złożone, jak również analiza wpływu zależności dalekozasięgowych w wybranych metodach projektowania systemów rozproszonych i sieci komputerowych na problem ziarnistości skalowalności i efektywności wykorzystania zasobów komunikacyjnych z określeniem poziomu jakości oferowanych usług transportowych.
Uzyskane efekty
W odniesieniu do przetwarzania w systemach komputerowych pokazano, że dynamika procesu jest typu scale-free, co zdecydowanie zmienia perspektywę postrzegania systemów komputerowych rozumianych jako maszyny, które dokonują transformacji jednej formy energii w użyteczną pracę (np. obliczenia matematyczne).
Wykazano, że istotną cechą systemów rozproszonych (m.in. także systemów informatycznych) jest niejednorodny rozkład przepływających w nich strumieni (np. informacyjnych). W przypadku sieci komputerowych (ale nie tylko) można wydzielić niezależne podsystemy z wysoką intensywnością ruchu wewnętrznego i niską zewnętrznego. Sieć połączeniową dla systemów tej klasy można przedstawić w postaci połączonych ze sobą sieci lokalnych, pozwalających tworzyć hierarchię technologii.
Przedstawiono ideę ewolucji paradygmatów w nauce, wpływ paradygmatu podejścia systemowego w odniesieniu do kolejki, problem wydajności klastra obliczeniowego, analizę strumieni informacyjnych w kontekście zapewnienia im odpowiednich parametrów QoS.
Analiza przedstawionych problemów umożliwia efektywne podejście do procesu projektowania złożonych struktur topologicznych jak również umożliwia lepszy dobór urządzeń. Statystyczne właściwości przepływów sieciowych jednoznacznie wskazują, iż podobne ilościowo strumienie danych o różnych właściwościach statystycznych inaczej wpływają na obciążenie urządzeń sieciowych. Uwzględnienie tych spostrzeżeń pozwala na poprawę procesów równoważenia obciążenia w sieciach komputerowych.