Школа Ю.И. Шокина

Академик Юрий Иванович Шокин — известный ученый в области прикладной математики и информатики, автор и соавтор свыше 400 работ, в том числе 18 монографий.

В идейном отношении большая научная школа академика Ю.И. Шокина (он воспитал 16 докторов и более 20 кандидатов наук) продолжает традиции академика Николая Николаевича Яненко.

 

Грант Президента РФ для государственной поддержки ведущей научной школы РФ

№ НШ-7214.2016.9 (2016 - 2017)
Разработка, адаптация и исследование новых информационных и вычислительных технологий в задачах поддержки принятия решений

№ НШ-5006.2014.9 (2014 - 2015)
Разработка, адаптация и исследование новых информационных и вычислительных технологий в задачах поддержки и принятия решений
Итоговый научный отчет за 2014-2015 годы
Научный отчет за 2014 год

№ НШ-6293.2012.9 (2012 - 2013)
Разработка информационно-вычислительных технологий поддержки принятия решений
Итоговый научный отчет за 2012-2013 годы
Научный отчет за 2012 год

№ НШ-6068.2010.9 (2010 - 2011)
Разработка информационно-вычислительных технологий поддержки принятия решений
Итоговый научный отчет за 2010-2011 годы
Научный отчет за 2010 год 

№ НШ-931.2008.9 (2008 - 2009)
Разработка информационно-вычислительных технологий в задачах поддержки принятия решений
Итоговый научный отчет за 2008-2009 годы 

№ НШ-9886.2006.9 (2006 - 2007)
Разработка информационно-вычислительных технологий в задачах поддержки принятия решений
Итоговый научный отчет за 2006-2007 годы 
Научный отчет за 2007 год 

Тематика научных исследований

Основное направление исследований, развиваемое в настоящее время научной школой академика Ю.И. Шокина, связано с развитием информационных и вычислительных технологий для поддержки принятия решений при конструировании и эксплуатации сложных технических систем и объектов, мониторинга окружающей среды, предсказания последствий катастроф природного и техногенного характера. Тематика исследований в рамках этого направления формировалась более 30 лет и включает следующий круг задач:

  • разработка и внедрение территориально-распределенных информационно-вычислительных систем для моделирования, прогнозирования и мониторинга чрезвычайных ситуаций;
  • математическое моделирование в задачах проектирования сооружений и совершенствования технологических процессов;
  • разработка и создание распределенных информационных систем, электронных коллекций и библиотек для научных исследований;
  • разработка технологий (GRID) организации доступа к программам, данным и иным ресурсам (включая высокопроизводительные информационно-вычислительные ресурсы). 

Актуальность направления

Для того чтобы принимать решения при проектировании и эксплуатации сложных технических систем и объектов, необходима обширная информация. Получить эту информацию можно с помощью как традиционных методов сбора, обработки и анализа натурных данных, так и с помощью вычислительного эксперимента. Оба эти подхода являются весьма дорогостоящими, но вычислительный эксперимент, как правило, требует гораздо меньших затрат.

Без использования современных технологий невозможно успешное решение таких задач, как мониторинг окружающей среды или предсказание последствий катастроф природного и техногенного характера, которые связаны с получением и оперативной обработкой больших объемов информации.

Результаты фундаментальных и прикладных исследований, полученные школой Ю.И. Шокина, широко известны научной общественности в России и за рубежом. Многие результаты в области конструирования численных методов (высокоточных адаптивных схем, алгоритмов генерации сеток, сплайн-аппроксимаций и др.), интервального анализа, математического моделирования в аэрогидродинамике, физике плазмы, микроэлектронике, экологии носят уникальный характер, они привели к появлению новых научных направлений и используются при проектировании различных технических объектов.

Научно-организационная деятельность

Юрий Иванович Шокин являлся организатором и директором Института вычислительных технологий (в настоящее время Ю.И. Шокин — научный руководитель ИВТ СО РАН). Под руководством Ю.И. Шокина создана и поддерживается региональная корпоративная сеть передачи данных СО РАН. Она объединяет научные центры, расположенные в Новосибирске, Иркутске, Томске, Красноярске и других городах Сибири. Сеть обслуживает более 150 организаций научной, образовательной и социальной сфер и насчитывает более 40 тысяч активных пользователей. Это крупнейшая академическая сеть России. В 2012 году за создание информационно-телекоммуникационной инфраструктуры междисциплинарных научных исследований как основы экономического и социального развития восточных регионов России, коллектив авторов под руководством академика Ю.И. Шокина был награжден Премией Правительства Российской Федерации в области науки и техники.

Коллектив отдела вычислительных технологий ИВТ СО РАН, которым руководит ученик Ю.И. Шокина д.ф.-м.н. М.П. Федорук, ведет активную работу по созданию Интегрированной распределенной информационной системы (ИРИС) Сибирского отделения РАН. Система предназначена для обеспечения единой системы доступа к информационным ресурсам различного назначения (в идеологии GRID). Разработаны подходы и технологии, обеспечивающие виртуальную интеграцию описаний разнородных информационных ресурсов, расположенных на серверах различных организаций, в единую базу данных на основе открытых международных стандартов. Разработаны технологические и поведенческие модели информационного взаимодействия пользователей.

Школой Ю.И. Шокина ведется огромная научно-организационная и научно-педагогическая работа. Ежегодно проводятся конференции и совещания российского и международного уровня, в том числе Всероссийские конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям.

История научной школы

Ю.И. Шокин является учеником выдающегося математика и механика академика Николая Николаевича Яненко.

Большинство научных направлений школы академика Ю.И. Шокина возникли в середине 1970-х гг. К таким направлениям относятся: качественная теория разностных схем, конструирование алгоритмов с заданными свойствами, методы построения адаптивных сеток, интервальный анализ и моделирование волн цунами.

Успехи ряда важнейших направлений теории разностных схем во многом обеспечены работами, выполненными под руководством и при непосредственном участии академика Ю.И. Шокина. Прежде всего это относится к методу дифференциального приближения (МДП), который к настоящему времени стал широко используемым рабочим аппаратом теории разностных схем. Его эффективность подтверждена практикой. Впервые систематическое изложение основ МДП дано в монографии Ю.И. Шокина [16]. Список работ Ю.И. Шокина и его учеников на эту тему содержит более сотни наименований. Основная идея МДП состоит в изучении специальных дифференциальных уравнений, являющихся связующим звеном между дифференциальной задачей и аппроксимирующей ее разностной схемой, что позволяет описать ряд ее важнейших свойств. Благодаря своей универсальности МДП был взят за основу при разработке концепции автоматизированной системы построения и исследования разностных схем.

Заслугой академика Ю.И. Шокина стало и возникновение в стране исследований по интервальным вычислениям. С середины 1980-х гг. исследования по интервальному анализу были развернуты во многих научных центрах страны - в Москве, Санкт-Петербурге, Саратове, Иркутске, Владивостоке, Барнауле и других городах, чему способствовала монография Ю.И. Шокина [14] - первая книга по интервальному анализу на русском языке. В этой области работают ученики Ю.И. Шокина, такие известные специалисты, как З.Х. Юлдашев, С.А. Калмыков, Б.С. Добронец, С.П. Шарый , А.Н. Рогалёв и др. (из них двое защитили докторские диссертации).

В 1983 г. Ю.И. Шокин назначается директором Вычислительного центра СО АН СССР в г.Красноярске. Здесь он создает лабораторию интервального анализа. Аналогичная лаборатория была создана Ю.И. Шокиным в Институте вычислительных технологий. В последние годы получены значительные результаты в области решения интервальных систем линейных и нелинейных уравнений, интервальной глобальной оптимизации и вычислительным методам для решения задач игрового типа, решены важнейшие методологические проблемы моделирования общих систем с интервальной неопределенностью [7].

Исследования по численному моделированию волн цунами под руководством Ю.И. Шокина начались в 1974 году. Привлекательность проблемы цунами обусловлена ее глобальностью, выводящей на непосредственные контакты с учеными и специалистами различных научных центров нашей страны и других стран, обеспокоенных безопасностью побережья. Так, в 1975 г. именно в Новосибирске под эгидой СО АН СССР проходила встреча экспертов СССР и США по цунами, участниками которой были Ю.И. Шокин и его молодые коллеги. В 1981 г. ученики Ю.И. Шокина Ан.Г. Марчук и Л.Б. Чубаров за работы по исследованию цунами были удостоены Премии Ленинского комсомола в области науки и техники. [12,13] В 1988-1989 гг. был выполнен один из первых в Сибирском отделении АН СССР международных проектов - расчет по заказу ЮНЕСКО карт времен добегания волн цунами для оперативной работы Службы предупреждения о цунами для стран тихоокеанского бассейна.

Традиционным направлением исследований школы Ю.И. Шокина является конструирование компьютерных подходов к решению задач вычислительной аэро- и гидродинамики. Сотрудниками школы развивается экономичный подход, основанный на расщеплении потоков по физическим процессам. Профессор В.М. Ковеня в соавторстве с Н.Н. Яненко является одним из основоположников метода расщепления в задачах аэродинамики [15]. Им и его сотрудниками были разработаны эффективные схемы решения полных уравнений Эйлера и Навье-Стокса, экономичные методы глобальных итераций для упрощенных уравнений вязкого газа, позволившие в свое время проводить расчеты течений возле летательных аппаратов на малопроизводительной вычислительной технике [10].

В последние годы созданы экономичные методы расщепления на структурных и неструктурных сетках для решения задач аэрогидродинамики и физики плазмы. На основе разработанных технологий предложен экономичный метод компьтерного моделирования поведения плотного плазменного облака, находящегося в сильном магнитном поле, в условиях, близких к условиям проведения экспериментов по двухступенчатому нагреву плазмы в ИЯФ СО РАН на установке ГОЛ-3.

Разработаны системы численного интегрирования трехмерных уравнений несжимаемой жидкости Эйлера, Навье-Стокса и Рейнольдса. Исследованы особенности пространственных течений несжимаемой жидкости в проточных трактах гидротурбин, питательных насосов, а также в аэрогидродинамических установках в целом.

Молодые участники школы не раз становились лауреатами премии СО РАН имени академика Н.Н. Яненко: к.ф.-м.н. В.Н. Лапин (2008 г.), к.ф.-м.н. Д.В. Банников (2011 г.), к.ф.-м.н. А.Е. Беднякова (2012 г.). В 2006 г. к.т.н. А.Е. Гуськов и к.т.н. Ю.В. Леонова получили  диплом первой степени администрации Новосибирской области молодым ученым за выдающиеся научные достижения в номинации «Информационные и телекоммуникационные технологии».

Школой Ю.И. Шокина получены оригинальные результаты в области построения численных моделей анизотропного вырождения свободной турбулентности в устойчиво стратифицированных жидкостях. Модели основаны на иерархии современных полуэмпирических моделей турбулентности и методе дробных шагов. Актуальность этих результатов определяется их теоретической и практической значимостью для решаемого класса задач. В частности, результаты представляют интерес для изучения процессов формирования тонкой микроструктуры гидрофизических полей в океане.

В настоящее время многочисленные технические проблемы в сфере высоких технологий требуют развития новых математических моделей течений жидкостей и газов со сложным комплексом физико-химических процессов. К ним относятся процессы плазмохимического травления, широко распространенные в производстве микроэлектронных приборов. Участниками научной школы разработаны численная модель, включающая сложный теплообмен и многокомпонентную кинетику реагирующей газовой смеси, и соответствующее программное обеспечение для моделирования плазмохимических реакторов травления на основе уравнений Навье-Стокса в приближении Буссинеска.

Создана математическая модель нестационарного процесса образования низкотемпературной пароводяной плазмы в полузамкнутом объеме при испарении воды под воздействием импульсного электрического разряда большой мощности и истечения струи такой плазмы в затопленное пространство. Подобные устройства могут использоваться в системах воспламенения пороховых зарядов артиллерийских систем больших калибров, запуска твердотопливных ракетных двигателей, а также в качестве генераторов низкотемпературной плазмы различного состава с целью исследования ее свойств.

Разработаны математическая модель и методика численного моделирования нестационарных процессов, протекающих в твердотопливных газогенераторах различного назначения. Такие устройства, в частности, используются для тушения пожаров в технологических помещениях, в устройствах наддува топливных баков жидкостных ракет, в системах спасания экипажей морских и воздушных судов. За работы в этом направлении доктор наук А.Д. Рычков удостоен Государственной премии. Лауреатом Государственной премии за работы в области проектирования твердотопливных ракет стал также к.ф.-м.н. В.И. Паасонен.

Представителями школы созданы дву- и трехмерные численные модели распространения лазерного импульса в плазме до- и сверхкритической плотности, основанные на кинетическом описании ионного и электронного компонентов плазмы [6].

Под руководством Ю.И. Шокина проведены работы по созданию САПР конструктора-расчетчика машиностроительных конструкций, сформулированы принципы построения систем для их расчета на прочность и надежность, которые применяются при оценке проектных решений и выборе оптимальных параметров конструкций, а также при анализе причин аварийных ситуаций.

Разработан метод решения прямых и обратных задач теории армированных оболочек, позволивший решить ряд важных для практики задач расчета напряженно-деформированного состояния армированных дисков, куполов, сводов, зеркальных антенн, резервуаров и сосудов высокого давления. Исследовано влияние структур армирования композиционных материалов на поведение конструкций, выявлены различные механизмы разрушения.

Выполнен большой цикл исследований по математическому моделированию солитонных волоконно-оптических линий связи со спектральным уплотнением. Построена математическая теория волоконно-оптических линий передачи с мелкомасштабной компенсацией дисперсии и исследованы свойства оптических солитонов в оптоволоконных линиях связи с периодом дисперсионной компенсации, много меньшим, чем дистанция усиления. Проведено численное моделирование усредненного нелинейного уравнения Шредингера, описывающего динамику оптических импульсов в оптических линиях связи с переменной дисперсией. Построена квазилинейная теория нелинейного уравнения Шредингера с периодическими коэффициентами [12].

В 1990 г. по решению Президиума СО АН СССР Ю.И. Шокин создает Институт вычислительных технологий, в котором были развернуты исследования по одному из самых современных научных направлений - информационно-вычислительным технологиям. За относительно небольшой период он стал одним из ведущих в Сибирском отделения РАН. В настоящее время Институт представляет интересы Сибирского отделения РАН в области информационно-телекоммуникационных технологий.

В 1992-1997 гг. Ю.И. Шокин являлся главным ученым секретарем СО РАН. Вместе с выдающимся ученым и организатором науки академиком В.А. Коптюгом он много сделал для сохранения потенциала сибирской науки.

В 1998 г. Ю.И. Шокин возглавил созданный указом Президента РФ научно-технологический парк "Новосибирск" и приступил к работе по развитию объектов региональной инновационной инфраструктуры в Сибирском регионе, к реальному содействию малым инновационным предприятиям в научно-технической сфере. Он сумел на практике осуществить реализацию инновационных разработок и технологий РАН в высокотехнологичных отраслях промышленности. Ученик Ю.И. Шокина доктор наук С.К. Голушко стал лауреатом премии благотворительного фонда содействия науке за победу в конкурсе "Лучшие менеджеры РАН".

За последние десять лет представителями школы Ю.И. Шокина опубликовано более 20 монографий и 300 статей в центральных и зарубежных изданиях.

Представители школы участвовали и участвуют в выполнении государственной научно-технической программы "Создание национальной сети компьютерных телекоммуникаций для науки и высшей школы", в федеральных целевых программах. Работы школы Ю.И. Шокина ежегодно поддерживаются грантами РНФ и РФФИ.

Подготовка кадров

Проводится большая работа по подготовке кадров. При ИВТ СО РАН работает докторский диссертационный совет под председательством Ю.И. Шокина. Для более эффективной и планомерной работы по подготовке молодых специалистов создан Межвузовский центр подготовки кадров, постоянно действует семинар "Информационно-вычислительные технологии", который является преемником семинара "Численные методы сплошной среды", основателем которого был академик Н.Н. Яненко. Этот семинар является базовым для студентов, специализирующихся на кафедре математического моделирования Новосибирского государственного университета, которую возглавляет С.П. Шарый, и кафедре вычислительных технологий Новосибирского государственного технического университета, возглавляемой Ю.И. Шокиным. С 2000 года под руководством члена-корреспондента РАН А.М. Федотова и д.ф.-м.н. С.К. Голушко работает семинар "Информационные технологии". Молодые участники школы выступают с докладами о выполняемых научных исследованиях на семинаре "Информационно-вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений" (руководители семинара: к.ф.-м.н. Д.В. Есипов, Д.Л. Чубаров)

Многие результаты научных достижений школы вошли в основные и специальные курсы ведущих вузов г. Новосибирска. Значительным вкладом в формирование содержания и методики математического образования в вузах Сибири стали разработанные Ю.И. Шокиным 11 учебных пособий.

Большинство представителей школы также ведут научно-педагогическую работу в вузах г. Новосибирска. За последние пять лет подготовлено и выпущено более 20 учебных пособий по тематике школы. С 2003 года издается серия монографий, учебников и учебных пособий.

Подготовка кадров высшей квалификации осуществляется в рамках аспирантуры ИВТ СО РАН и через соискательство. Участниками школы за последние 5 лет защищены докторские и кандидатские диссертации. На базовых кафедрах ИВТ СО РАН ежегодно более 50 студентов проходят дипломную и преддипломную практику. Более трети представителей составляют сотрудники в возрасте до 33 лет.

С 1996 года в ИВТ СО РАН издается журнал "Вычислительные технологии", в котором главным редактором является академик Ю.И. Шокин.

Школа Ю.И. Шокина поддерживает широкие международные контакты с зарубежными научными организациями. В ИВТ СО РАН создан Российско-германский центр  по параллельным вычислениям на высокопроизводительных вычислительных системах. 

В настоящее время Ю.И. Шокин является членом Президиума РАН, Президиума СО РАН, бюро Отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН, постоянных программных комитетов ряда международных конференций, Американского общества механиков-инженеров, Национальной ассоциации бизнес-инкубаторов (США), Межрегиональной ассоциации руководителей предприятий и др.

Ю.И. Шокин - почетный профессор Евразийского (Астана, Республика Казахстан) и Харбинского (Китай) университетов, почетный академик Инженерной академии наук Республики Казахстан. Он входит в состав редколлегий ряда научных журналов: "Сибирский журнал вычислительной математики", "Сибирский журнал индустриальной математики", "Computational Fluids Dynamics Journal" (Япония), "Russian Journal of Numerical Analysis and Mathematical Modeling" (Нидерланды - Россия).

Ю.И. Шокин награжден орденом "Знак Почета" и орденом Дружбы.

Ю.И. Шокина отличает умение ставить задачи и добиваться их решения. Научная щедрость, доброжелательность, способность и стремление прийти на помощь снискали Ю.И. Шокину глубокое уважение в научной среде и признательность его учеников.

Публикации

[1] Демиденко Н.Д., Потапов В.И., Шокин Ю.И. Моделирование и оптимизация систем с распределенными параметрами. - Новосибирск: Наука, 2006. - 551 с.

[2] Доронин С.В., Лепихин А.М., Москвичев В.В., Шокин Ю.И. Моделирование прочности и разрушения несущих конструкций технических систем. - Новосибирск: Наука, 2005. - 250 с.

[3] Шокин Ю.И., Лисейкин В.Д., Лебедев А.С., Данаев Н.Т., Китаева И.А. Методы римановой геометрии в задачах построения разностных сеток. - Новосибирск: Наука, 2005. - 256 с.

[4] Голушко С.К., Шокин Ю.И. Развитие инновационной инфраструктуры Новосибирской области на примере создания технопарка распределенного типа. - Новосибирск, 2003. - 78 с.

[5] Liseikin V.D. A Computational Differential Geometry Approach to Grid Generation. Berlin: Springer, 2003.

[6] Grigoryev Yu.N., Vshivkov V.A., Fedoruk M.P. Numerical-Particle-in-Cell Methods - Theory and Applications. Utrecht: VSP BV. 2002.

[7] Шарый С.П. Алгебраический подход во "внешней задаче" для интервальных линейных систем // Фундаментальная и прикладная математика. 2002. Т. 8. Вып. 2. С. 567-610.

[8] Shokin Yu.I., Fedotova Z.I. Difference Schemes and their Development in the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences // International Journal of Computational Fluid Dynamics. - 2001. - V.9. - № 1-I. - P. 608-614.

[9] Хакимзянов Г.С., Шокин Ю.И., Барахнин В.Б., Шокина Н.Ю. Численное моделирование течений жидкости с поверхностными волнами. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001.

[10] Ковеня В.М., Тарнавский Г.А., Черный С.Г. Применение метода расщепления в задачах аэродинамики. Новосибирск: Наука, 1990.

[11] Шокин Ю.И., Чубаров Л.Б., Марчук Ан.Г., Симонов К.В. Вычислительный эксперимент в проблеме цунами. Новосибирск: Наука, 1989.

[12] Шокин Ю.И., Яненко Н.Н. Метод дифференциального приближения. Применение к газовой динамике. Новосибирск: Наука, 1985.

[13] Марчук Ан. Г., Чубаров Л.Б., Шокин Ю.И. Численное моделирование волн цунами. Новосибирск: Наука, 1983.

[14] Шокин Ю.И. Интервальный анализ. Новосибирск: Наука, 1981.

[15] Ковеня В.М., Яненко Н.Н. Метод расщепления в задачах газовой динамики. Новосибирск: Наука, 1981.

[16] Шокин Ю.И. Метод дифференциального приближения. Новосибирск: Наука, 1979.