1. Liczba realizowanych tematów: 14
2. Liczba zakończonych tematów: 0.
3. Działalność dotyczy badań podstawowych; nie przewidujemy wdrożeń ani przekazania rezultatów do wykorzystania poza publikacjami.
4. Nie przekazano żadnych tematów do wdrożenia, prowadzimy jednak współpracę z firmą FQS Poland zainteresowaną naszymi algorytmami.
5. Zaniechano realizacji jednego tematu „Inteligentne oprogramowanie dla potrzeb chemii komputerowej” ze względu na brak danych ze strony partnerów zagranicznych. nie udało się im zebrać danych, które moglibyśmy przeanalizować i wobec odejścia głównego zainteresowanego tym tematem, prof. G. Diercksena, na emeryturę, nie należy oczekiwać zmiany sytuacji.
W 2000 roku nie zaniechaliśmy realizacji żadnego tematu.
Problematyka badawcza KMK skoncentrowana jest wokół trzech grup tematycznych.
A) Interdyscyplinarny program badawczy dotyczący metod inteligencji obliczeniowej (computational intelligence), a w szczególności szeroko pojętych zagadnień modelowania sieci neuronowych i systemów uczących się.
Jest to część interdyscyplinarnego programu badawczego kierowanego przez prof. W. Ducha, finansowanego w części dotyczącej zastosowań medycznych przez realizowany w drugiej połowie 2000 roku grant KBN „Teoria i zastosowania metod inteligencji obliczeniowej” oraz w części związanej z kognitywistyką i modelami umysłu, nie wchodzącej w tematykę grantu, przez badania własne i statutowe KMK. Szczegółowy opis wielu projektów związanych z modelowaniem sieci neuronowych i innych systemów uczących się zamieściliśmy na stronie WWW pod adresem:
http://www.fizyka.umk.pl/kmk/projects/kmk-proj.html
Główne zadania badawcze należące do tej grupy tematycznej to:
II.2.1 Modelowanie kongitywne (cognitive modeling).
Kognitywistyka powoli
rozwija się w Polsce jako odrębna dyscyplina badawcza. Nasze prace w tym
zakresie zmierzają w kierunku empirycznie uzasadnionych teorii umysłu w oparciu
o modele sieci neuronowych oraz filozoficzne próby zrozumienia koncepcji umysłu
i zagadnień dotyczących świadomości. Teoria powinna nie tylko być pomocną w
rozwiązaniu podstawowych problemów nauk o poznaniu lecz również prowadzić do
nowych konstrukcji systemów uczących się. Zarysy takiej teorii, w postaci
hipotez określających prawdopodobne związki pomiędzy zdarzeniami w mózgu i ich
korelacji z percepcją, wyższymi czynnościami poznawczymi i treścią świadomości,
zostały już nakreślone w kilku pracach i wystąpieniach konferencyjnych.
Matematyczne metody opisu zdarzeń mentalnych wiążą się z teorią układów
złożonych w zastosowaniu do sieci neuronowych z rekurencją.
Prof. Duch był
wykładowcą na Szkole Polskiego Towarzystwa Badań Układu Nerwowego, zorganizowanego
przez Instytut Biologii Eksperymentalnej PAN, wygłaszając tam wykład: Świadomość i dynamiczne modele działania
mózgu. Współpraca z Instytutem
Neuropsychologii Maxa Plancka w Lipsku dotycząca analizy obrazów funkcjonalnego
MRI została niestety przerwana ze względu na odejście doktoranta do pracy w
telekomunikacji. Dr N. Jankowski nawiązał kontakt z prof. Johnem Taylorem z
Center for Neural Networks, gdzie zamierza odbyć staż podoktorancki zajmując
się modelowaniem funkcji płatów czołowych. Prof. Duch kontynuował współpracę z
prof. T. Gedeonem i dr Andrew Cohenem z Murdoch University, Zach. Australia,
zajmujących się modelami systemów o wielkiej złożoności, porównywalnej ze
złożonością ludzkiego mózgu.
Ukazała się praca
przeglądowa W .Ducha na temat zastosowania sieci neuronowych do modelowania
syndromów neuropsychologicznych i chorób psychicznych. Takie modele wymagają
uproszczonego opisu zachowania się sieci w postaci ewolucji automatów
skończonych a w niektórych przypadkach w postaci reguł logicznych. Nadal badamy
metody upraszczania opisu złożonych układów dynamicznych, takich jak zbiór
neuronów, zamierzając znaleźć serię systematycznych przybliżeń, pozwalająca na
uzasadnienie przejść pomiędzy modelami na różnym poziomie szczegółowości (od
zjawisk bioelektrycznych na błonach komórkowych do opisu dużych grup neuronów).
Prof. Duch przewodniczy komitetowi naukowemu utworzonego przy współpracy z logikami, filozofami i pedagogami z UMK pisma, „Kognitywistyka i media w edukacji”. W 2000 roku ukazał się trzeci numer (około 300 stron), dwa następne ukażą się wkrótce. Pismo to ma na celu integrację środowiska osób interesujących się kognitywistyką w Polsce. Prof. Duch pracuje również nad serią książek stanowiących wprowadzenie do kognitywistyki. Notatki do tych książek i wykładu będącego wstępem do kognitywistyki, integrującego wiadomości dotyczące filozofii, neurofizjologii, psychologii poznawczej i sieci neuronowych, zostały udostępnione w Internecie.
Wspólnie z pracownikami z innych jednostek UMK dążymy do powołaliśmy specjalizację kognitywną w ramach filozofii. Jest to pierwszy krok w stronę powstania nowego, interdyscyplinarnego kierunku studiów specjalnych w tym zakresie. Służą temu „konwersatoria kognitywne”, organizowane przy aktywnej współpracy naszej Katedry na UMK, oraz konferencje. Przewidujemy powołanie ogólnopolskiego towarzystwa kognitywistycznego w 2001 roku
Ostatnie publikacje związane z tematem to:
1. Duch
W, Świadomość i dynamiczne modele
działania mózgu.
Neurologia i Neurochirurgia Polska, Maj 2000, pp. 69-84
2. Duch W (2000) Sieci neuronowe w modelowaniu zaburzeń neuropsychologicznych i chorób psychicznych Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. II.18, pp. 589-616
3.
Duch W, Jaka teoria umysłu
w pełni nas zadowoli?
Kognitywistyka
i Media w Edukacji 3 (2000) 29-53
4.
Duch W, Debata: Sztuczny mózg, sztuczna inteligencja.
Kognitywistyka
i Media w Edukacji 3 (2000) 95-98
5.
Duch W, Therapeutic applications of computer models of brain
activity for Alzheimer disease.
J. Medical Informatics and Technologies 5 (2000) 27-34
II.2.2 Rozwój teorii i zastosowań systemów
neurorozmytych.
Kontynuowano prace nad ulepszaniem uniwersalnym systemem neurorozmytym, Feature Space Mapping (FSM). Systemy neurorozmyte uczą się tak, jak sieci neuronowe a jednocześnie mogą korzystać z reguł logiki rozmytej i klasycznej, pozwalających na sekwencyjne procesy rozumowania wraz z użyciem predefiniowanej wiedzy w modelach uczących się, podobnie jak robi się to w systemach ekspertowych. Testowano i rozwijano oprogramowanie systemu FSM opartego na własnym, oryginalnym podejściu do systemów neurorozmytych, zainspirowanym przez model umysłu oparty na przestrzeniach psychologicznych. Rozwój systemu FSM w zastosowaniach do aproksymacji i klasyfikacji wchodzi w zakres dwóch prac doktorskich, ukończonej w 1999 roku pracy mgr Jankowskiego i znajdującej się w fazie końcowych poprawek pracy mgr Adamczaka.
W 2000 roku rozwijano oprogramowanie systemu FSM, implementując i testując nowe algorytmy dotyczące uczenia się sieci, ekstrakcji reguł logicznych, stabilizacji modeli przez tworzenie ensembli modeli, traktowania zmiennych symbolicznych i odtwarzania wartości brakujących oraz zastosowań FSM do odkrywania reguł logicznych w złożonych bazach danych. Ukończono implementacje i testy algorytmów obracania konturów decyzyjnych zlokalizowanych funkcji dyskryminacyjnych. Sieć FSM zastosowaliśmy do wspomagania diagnoz medycznych i psychometrycznych, osiągając bardzo dobre wyniki. Rozwinięto również dalej działający w systemie Unix i Windows 9x graficzny interfejs do naszego oprogramowania. W ramach grantu KBN opracowano założenia integracji systemu programów FSM z pozostałymi programami opracowanymi w naszej Katedrze.
Ostatnie publikacje związane z tematem to:
1.
Adamczak R, Duch W, Model FSM w zastosowaniu do klasyfikacji.
Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W.
Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. III.26, pp. 801-824
2.
Adamczak R and Duch W, Neural networks for structure-activity
relationship problems. W: L. Rutkowski, R. Tadeusiewicz, eds, Neural
Networks and Soft Computing, Zakopane, June 2000, pp. 669-674
3.
Duch W, Adamczak R, Diercksen GHF, Feature
space mapping neural network applied to structure-activity relationship
problems.
ICONIP-2000, 7th International Conference on Neural Information Processing,
Nov. 2000, Dae-jong, Korea, ed. by Soo-Young Lee, pp. 270 – 274
4.
Duch W, Grudziński K, Stawski G
Symbolic features in neural networks.
W: L. Rutkowski, R. Tadeusiewicz, eds, Neural Networks and Soft Computing,
Zakopane, June 2000, pp. 180-185
5.
Duch W, Jankowski N.
Taxonomy of neural transfer functions,
International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN) 2000, Vol. III, pp. 477-484
6.
Jankowski N, praca doktorska
II.2.3 Odkrywanie
wiedzy w bazach danych za pomocą metod inteligencji obliczeniowej
a) Opracowaliśmy nowe
wersje i ulepszenia wcześniej rozwiniętych metod odkrywania wiedzy w danych za
pomocą sieci neuronowych, drzew decyzji i metod globalnej optymalizacji. Jest
to część bardzo modnej obecnie dziedziny, określanej jako „data mining”, czyli
dogłębna analiza danych lub odkrywanie wiedzy w bazach danych.
b) Oprócz systemu FSM
stosujemy w tym celu algorytm C-MLP2LN dla wielowarstwowych perceptronów
trenowanych metodą wstecznej propagacji. Opracowano nową wersję programu dla
tego algorytmu – poprzednia była modyfikacją znanego symulatora SNNS, obecna
jest samodzielną aplikacja opracowana od podstaw.
c) Nowe metody ekstrakcji reguł oparte na kryterium separowalności (SSV), prowadzące do bardzo użytecznego drzewa decyzyjnego, użyte zostały do analizy wielu danych z dużym sukcesem. Praca doktorska Krzysztofa Grąbczewskiego dotycząca tego temu powinna zostać napisana w 2001 roku.
d) Zastosowaliśmy też metody oparte na szukaniu charakterystycznych prototypów, wykorzystujące nowe miary podobieństwa wprowadzając nowy rodzaj reguł opartych na podobieństwie do prototypów. Nie ograniczamy się tylko do ekstrakcji reguł logicznych, ale zajmujemy się różnymi formami rozumienia danych.
e) N. Jankowski opracował nowe podejście do szczegółowej analizy probabilistycznych przedziałów ufności, pozwalające lepiej zrozumieć szczegółową strukturę danych i pozwalające na śledzenie trajektorii zmian stanu pacjenta. Jest to uzupełnienie rozwiniętej przez nas metody globalnego powiększania rozmycia ocenianych danych, pozwalającego na ocenę prawdopodobieństw alternatywnych diagnoz w funkcji niepewności danych wejściowych.
Wyniki tych badań prezentowane były w najlepszych pismach i konferencjach naukowych oraz w 3 tutorialach, w tym na dwóch największych konferencjach w dziedzinie sieci neuronowych: organizowanym przez IEEE kongresie IJCNN w Como, Włochy, oraz organizowanej przez obszar Azji i krajów Pacyfików konferencji ICONIP w Dae-jong, Korea. Nadal analizowaliśmy dane medyczne zbierane w kraju i za granicą oraz dane psychometryczne zbierane głównie na naszym Uniwersytecie. Otrzymane przez nas reguły pozwoliły używane są w system ekspertowym do wspomagania diagnoz psychometrycznych, używany obecnie w praktyce w Akademickiej Przychodni Lekarskiej UMK. Planujemy komputeryzację innych testów psychometrycznych.
Temat ten rozwijany jest przy współpracy z prof. Y. Hayashi z Meiji University, Tokyo, prof. M. Ishikawą z Kyushu Institute of Technology, prof. N. Kasabovem z University of Otago, Nowa Zelandia oraz prof. J. Żytkowem z University of North Carolina, USA (niestety zmarł na początku stycznia).
Publikacje:
1.
Duch W, Adamczak R, Grąbczewski K, Methodology of extraction, optimization and
application of crisp and fuzzy logical rules. IEEE Transactions on Neural
Networks (w druku, marzec 2001)
2.
Duch W, Adamczak R, Grąbczewski K,
Jankowski N, Neural
methods of knowledge extraction.
Control and Cybernetics 29,
No. 4 (2000), pp. 31-50
3. Duch W, Grąbczewski K, Jankowski N, Adamczak R, Optimization and interpretation of rule-based classifiers, Advances in Soft Computing, Physica Verlag (Springer), pp. 1-13.
4.
Duch W, Hayashi Y, Computational
intelligence methods and data understanding.
Springer studies in fuzziness and soft computing 54 (2000), pp. 256-270.
5.
Grąbczewski K, Duch
W, Adamczak R, Neuronowe metody odkrywania wiedzy w danych.
Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W.
Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. III.20, pp. 637-662
6. Jankowski N, Duch W, Ontogeniczne sieci neuronowe. Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. I.8, pp. 257-294
7. Jankowski N, Probabilistic intervals of confidence. W: L. Rutkowski and R. Tadeusiewicz, editors, Neural Networks and Soft Computing, Zakopane, Poland, June 2000, pp. 215-220
II.2.4 Rozwój nowych algorytmów uczenia sieci
neuronowych
Kontynuowaliśmy prace
nad nowymi modelami sieci neuronowych i nowymi procedurami uczenia.
a) Rozwinięto taksonomię
funkcji transferu w sieciach neuronowych i podano argumenty za uznaniem wyboru
funkcji transferu za zagadnienie równie ważne co algorytmy uczenia i nowe
architektur sieci neuronowych. Wyniki przedstawiono w kilku pracach i
zorganizowano sesję specjalną na temat funkcji transferu na konferencji ESSAN w
Brugii, Belgia, w kwietniu 2001.
b) Rozwijano dyskretny
model sieci neuronowych o architekturze MLP, w którym wszystkie parametry są
dyskretne i kodowane są z coraz większą rozdzielczością. Model S-MLP uczony
jest za pomocą algorytmów szukania wiązką zamiast gradientowych algorytmów
wstecznej propagacji. Model ten znajduje bardzo proste rozwiązania i nadaje się
również do odkrywania reguł logicznych w danych.
c) Rozwijano nowe metody
tworzenia ontogenicznych sieci neuronowych. Opracowano modele sieci optymalizujące
funkcje transferu po dodaniu kolejnego neuronu; są one obecnie testowane.
d) Ulepszano metody
inicjalizacji sieci neuronowych. Poprzednio zauważyliśmy pogarszanie się wyników
klasyfikacji przy jednocześnie malejącym średniokwadratowym błędzie uczenia.
Dowody teoretyczne zbieżności sieci MLP są niestety oparte na nierealistycznych
założeniach.
e) Opracowano nowe podejście do trudnych przypadków, w których zwykłe metody nie działając wiarygodnie. Jest ono oparte nie tyle na klasyfikacji co na eliminacji nieprawdopodobnych diagnoz.
f) Badano i rozwijano sieci D-MLP (Distance-based MLP) o całkiem odmiennych granicach decyzji dzięki zmianie funkcji aktywacji na funkcje odległości, które w ogólności są funkcjami nieeuklidesowymi. Zbadano proces tworzenia się tych granic w realnych przypadkach.
g) Opracowano ciekawy algorytm regularyzacji danych, efektywny w przypadku zaszumionych bądź zniekształconych danych.
Publikacje związane z
tym tematem:
1.
Duch W, Adamczak R, Diercksen G.H.F. Classification, Association and Pattern Completion
using Neural Similarity Based Methods. Applied Mathematics and Computer Science 10(4)
(2000) 101-120
2.
Duch
W, Adamczak R, Diercksen G.H.F. Neural Networks from Similarity Based
Perspective.
New Frontiers in Computational Intelligence and its Applications. Ed. M.
Mohammadian, IOS Press, Amsterdam, pp. 93-108
3.
Jankowski N, Duch W, Ontogeniczne sieci neuronowe. Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci
neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. I.8, pp. 257-294
4.
Duch
W, Adamczak R, Hayashi Y, Neural eliminators and classifiers,
ICONIP-2000, 7th
International Conference on Neural Information Processing, Nov. 2000, Dae-jong,
Korea, ed. by Soo-Young Lee, pp. 1029 – 1034
5. Jankowski N, Data regularization. W: L. Rutkowski, R. Tadeusiewicz, eds, Neural Networks and Soft Computing, Zakopane, Poland, June 2000, pp. 209-214
II.2.5 Zastosowanie metod inteligencji
obliczeniowej do analizy danych.
Badania te są kontynuacją realizowanych w poprzednich latach w ramach zakończonego grantu KBN badań dotyczących analizy danych medycznych.
a) Podejście oparte na eliminacji zastosowano do analizy trudnego zboru danych dotyczących chorób wątroby (dane japońskie).
b) Otrzymaliśmy bardzo proste i dokładne wyniki dotyczące raka skóry (dane z Rzeszowa).
c) Porównano diagnozy za pomocą ontogenicznych sieci neuronowych i drzew decyzji.
d) N. Jankowski ukończył doktorat, którego istotną częścią były zastosowania opracowanych przez niego algorytmów do analizy danych medycznych i psychometrycznych.
e) Zastosowano algorytm analizy czynników głównych i czynników niezależnych do interpretacji obrazów otrzymanych za pomocą funkcjonalnego rezonansu magnetycznego (fMRI). Niestety doktorant, który rozpoczął pracę nad tym obiecującym tematem odszedł do lepiej płatnej pracy wkrótce po rozpoczęciu badań.
Publikacje związane z
tym tematem:
1.
Chojnowski A, Duch W (2000) Analiza szeregów czasowych obrazów.
Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L.
Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. II.17, pp. 569-588
2.
Jankowski
N, Gomuła J, Simultaneous differential
diagnoses basing on MMPI inventory using neural networks and decision trees
methods. In L. Bobrowski, J. Doroszewski, E. Marubini, and N. Victor,
editors, Statistics and Clinical Practice, Warsaw, Poland, June 2000, pp. 89-95
II.2.6 Ontogeniczne sieci neuronowe
Praca doktorska N. Jankowskiego dotycząca tego modelu obroniona została w 2000 roku. Dalszy rozwój tego modelu związany jest z testowaniem jego możliwości w konkretnych zastosowaniach oraz z rozwijaniem oprogramowania w kierunku optymalizacji nie tylko struktury sieci ale i samych funkcji transferu.
Publikacje związane z
tym tematem:
1.
Jankowski, N. Sieci ontogeniczne i ich zastosowanie do
klasyfikacji danych medycznych.
Praca doktorska, KMK UMK, Toruń 1999
2. Jankowski N, Duch W (2000) Ontogeniczne sieci neuronowe. Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci
neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L. Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. I.8, pp. 257-294
II.2.7 Wizualizacja i redukcja wymiarowości danych
Badania te stanowią część pracy doktorskiej A. Nauda, która została ukończona na początku 2001 roku. Program do wizualizacji danych metodą MDS został znacznie ulepszony w 2000 roku, arówno z punktu widzenia technik numerycznych jak i interfejsu użytkownika. Pozwala np. na zakreślenie na ekranie lub wybór dowolnego obszaru wokół jakiegoś wektora i powiększenie tego obszaru z przeliczaniem optymalnych położeń oglądanych wektorów, dodawanie punktów z gaussowskiego rozkładu wokół wektorów z danymi, co pozwala uwidocznić granice decyzji.
W oparciu o nowe algorytmy minimalizacji dla skalowania wielowymiarowego (MDS) opracowano program do interakcyjnej wizualizacji wielowymiarowych danych. Porównano różne metody redukcji wymiarowości i ich przydatność do określania najważniejszych cech lub ich nieliniowej kombinacji. Zbadano możliwości wizualizacji granic decyzji klasyfikatorów. Zastosowano te metody do wizualizacji różnych danych medycznych.
Publikacje związane z tym tematem:
1. Naud A and Duch W, Interactive data exploration using MDS mapping. W: L. Rutkowski, R. Tadeusiewicz, eds, Neural Networks and Soft Computing, Zakopane, June 2000, pp. 255-260
2. Naud A and Duch W, Exploration interactive de données par "Multidimensional scaling". W: Actes des 10emes Journées Neurosciences et sciences de l'Ingénieur - NSI'2000, pp. 89-92, 11-14.09.2000, Dinard, France.
II.2.8 Alternatywne podejście do układów adaptujących się
Temat ten rozwijany jest w ramach pracy doktorskiej przez
mgr K. Grudzińskiego i wspirany grantem promotorskim KBN. Naszym celem jest integracja wielu metod
inteligencji obliczeniowej, wyrastających z metod uczenia maszynowego (machine
learning, ML), neuronowych metod uczenia, statystyki wielowymiarowej, i innych
dziedzin. Integracji tej można dokonać w oparciu o metody oparte na podobieństwie
(SBM, Similarity Based Methods).
a) Wzbogacono schemat
metod opartych na podobieństwie rozważając wiele nowych elementów tego
schematu.
b) Pokazano, że parametryzacja prawdopodobieństwa klasyfikacji pozwala na ujęcie w ramach jednego schematów nie tylko metod typu kNN, LVQ, RBF, RCE i innych, lecz również szeregu nowych algorytmów.
c) Opracowano metody selekcji i ważenia cech oraz selekcji prototypów, pozwalające na uczenie się on-line.
d) Zbadano też możliwości tworzenia komitetów modeli SBM.
e) Zastosowano i porównano metody minimalizacji sympleksowej, multisympleksowej i symulowanego wyżarzania w kontekście metod SBM.
d) Rozwijano oprogramowanie SBL (Similarity-Based Learner), analizując
e) Zrobiono pierwszy krok w kierunku automatyzacji szukania najlepszego modelu opartgo na schemacie SBM. Zagadnienie to jest obecnie intensywnie badane.
Napisaliśmy na ten temat
szereg prac i dążymy do rozwinięcia zintegrowanego pakietu programów
komputerowych, opartych na opracowanych przez nas algorytmach, służącego do
dogłębnej analizy danych (data mining).
Publikacje związane z
tym tematem:
1. Duch W. Similarity based methods: a general framework for classification, approximation and association, Control and Cybernetics 29(4) (2000) pp. 1-30
2. Duch W, Adamczak R, Diercksen G.H.F. Classification, Association and Pattern Completion using Neural Similarity Based Methods. Applied Mathematics and Computer Science 10(4) (2000) 101-120
3.
Duch W, Adamczak R, Diercksen G.H.F. Neural Networks from Similarity Based
Perspective.
New Frontiers in Computational Intelligence and its Applications. Ed. M.
Mohammadian, IOS Press, Amsterdam, pp. 93-108
4.
Duch W, Grudziński K (2000) Sieci Neuronowe i Uczenie Maszynowe: próba integracji.
Biocybernetyka 2000, Tom 6: Sieci neuronowe (red. W. Duch, J. Korbicz, L.
Rutkowski i R. Tadeusiewicz), rozdz. III.21, pp. 663-690
5.
Grudziński
K, Duch W, SBL-PM: A Simple Algorithm for
Selection of Reference Instances for Similarity Based Methods, Intelligent
Information Systems IIS'2000, Physica Verlag (Springer) 2000, pp. 99-108
B) Metody fizyki i
chemii komputerowej rozwiązywania równań opisujących własności i zachowanie się
atomów i cząsteczek.
Prof. J. Wasilewski ze współpracownikami prowadził badania w ramach tematu: „Struktura energetyczna małych cząsteczek”. Współpracował w ramach tej tematyki także z zespołem prof. A. J. Sadleja z Wydziału Chemii UMK. Uczestniczył też w badaniach kierowanych przez prof. K. Jankowskiego z Instytutu Fizyki UMK, dotyczących nowych metod opisu efektów korelacji elektronowej w stanach niezamknięto-powłokowych atomów i cząsteczek. Zespół prof. Wasilewskiego pracuje również nad symulacjami komputerowymi w fizyce atomowo-molekularnej, szczególnie nad modelowaniem oddziaływania cząsteczek z powierzchniami krystalicznymi.
Dr J. Meller prowadził
badania nad zastosowaniem metod obliczeniowych typu dynamiki molekularnej oraz metod
bioinformatyki rozpoznawania struktur i funkcji białek, metod dopasowania sekwencji w biologii molekularnej i genomice. Pracował
też na rozwojem metod uwzględniających korelację elektronową w zastosowaniu do
cząsteczek o znaczeniu biologicznym. Badania wykonywał w ramach badań własnych
i statutowych, współpracował z ośrodkami zagranicznymi w Japonii, Francji i
Izraelu a od stycznia 1999 roku z Computer Science Department, Cornell
University w USA, gdzie aktualnie przebywa na stażu.
Przy współpracy z prof. Diercksenem z Instytutu Astrofizyki Maxa Plancka w Garching koło Monachium
opracowano ulepszoną wersję projektu COST, Knowledge
Exploration in Science and Technology. Chęć udziału w tym projekcie
zapowiedziało 25 grup z 11 krajów Europy. Projekt ten złożony został do COST
Committee of Senior Officials (CSO) w czerwcu 1999 ale recenzenci domagali się
poprawek, które poczyniliśmy w 2000 roku. Dotyczy on zastosowania metod
sztucznej inteligencji do odkrywania wiedzy w astronomicznych, fizycznych i chemicznych
bazach danych. Poprzedni projekt dotyczący zastosowania metod sztucznej
inteligencji do wspomagania chemii kwantowej nie będzie kontynuowany.
Do spółki z współpracownikami z siedmiu krajów Europy kontynuowano interdyscyplinarny projekt finansowany w 1999 roku w oparciu o grant komisji Unii Europejskiej w ramach współpracy COST oraz umowę dwustronną pomiędzy Niemcami a Polską (IBMBF-KBN). Projekt ten dotyczy inteligentnego oprogramowania dla potrzeb chemii komputerowej, a więc połączenia oprogramowania do zastosowań numerycznych z systemami ekspertowymi i sieciami neuronowymi w celu stworzenia systemu ułatwiającego wykonywanie obliczeń chemikom, którzy nie są ekspertami w zakresie metod chemii komputerowej. Temat ten wiąże numeryczne metody komputerowe z metodami sztucznej inteligencji. Kierownikiem tego projektu jest prof. G.H.F. Diercksen, a prof. Duch z KMK jest jego zastępcą.
Najważniejsze uzyskane wyniki w tej grupie tematów to:
II.2.9 Teoretyczne badania struktury energetycznej
małych cząsteczek (prof. Wasilewski).
Kontynuowano badania
stanów oscylacyjnych i efektów sprzężenia oscylacyjno-rotacyjnego w małych
cząsteczkach metodami wykraczającymi poza elementarne przybliżenie harmoniczne,
w szczególności metodami pseudospektralnymi (DVR – Discrete Variable
Reprresentation). Wymieniona tematyka wchodzi m. innymi w zakres pracy
doktorskiej mgr S. Zelka Zastosowanie
technik wielociałowych w badaniach oscylacji molekularnych.
a) W oparciu o prace grupy Lighta
zbudowano zespół programów komputerowych realizujących podejście Discrete
Variable Representation (DVR) do numerycznego wyznaczania poziomów oscylacyjnych
cząsteczek dwu- i trój-atomowych. Kontynuowano badania nad efektywnością
stosowania różnych wariantów teorii funkcjonałów gęstości (DFT) w opisie
efektów anharmonicznych w widmach oscylacyjnych cząsteczek trójatomowych,
szczególnie na przykładzie stanu podstawowego cząsteczki SO2.
b) Kontynuowano badania teoretyczne niższych stanów elektronowych glioksalu (C2O2H2) przy zastosowaniu różnych wariantów metody funkcjonałów gęstości (DFT). Do wyznaczenie powierzchni otwartpowłokowego stanu singletowego zastosowano wariant czasowo zależny teorii (TD DFT); tego typu zastosowania są w literaturze nieliczne. Obliczenia teoretyczne mają na celu interpretację wyników doświadczalnych, otrzymanych przez prof. Heldta w ramach współpracy międzynarodowej najnowszą techniką „zwolnionej fluorescencji” (slow fluorescence). Wyniki te wchodzą w zakres pracy doktorskiej mgr S. Zelka, część jest już opublikowana.
1.
Zelek S, Wasilewski J, Heldt J (2000) Density
functional study of the S0 (X 1Ag) and T1 (a 3Au)
states of the glyoxal molecule. Computers & Chemistry 24:263-274
II.2.10 Symulacje komputerowe w fizyce atomowo-molekularnej (badania własne, prof. Wasilewski z zespołem):
a) Kontynuowano szczegółowe badania nad modelowaniem zjawisk powierzchniowych w kryształach jonowych i nad teoretyczną analizą procesów oddziaływania małych cząsteczek z takimi powierzchniami. Badania te, rozpoczęte w 1996 roku w ramach stażu prof. Wasilewskiego na Uniwersytecie w Bochum (RFN), prowadzone były przez mgr M. Wierzbowską w ramach jej pracy doktorskiej, zakończonej i oboronionej w roku 2000. Zastosowano modele elektrostatyczne dla opisu stwierdzonej doświadczalnie kontrakcji struktury kryształu przy powierzchni i redystrybucji ładunku elektrycznego. Przebadano szereg modeli pola Madelunga o różnych rozmiarach i kształtach. Ustalone zostały wymagania dotyczące konstrukcji pola ładunków, gwarantujące uzyskiwanie stabilnych wyników dla energii oddziaływania cząsteczki z powierzchnią, także w wypadku znacznego przeniesienia ładunku lub adsorpcji jonu. Uzyskane w tym zakresie wyniki maja charakter pionierski. Analizę tę prowadzono na przykładzie adsorpcji tlenu (atomowego, molekularnego, i ich anionów) na powierzchni Cr2O3 (0001), a następnie zastosowano do opisu adsorpcji potasu na tej powierzchni.
1.
W.
Zhao, G. Kerner, M. Asscher, X. M. Wilde, K. Al.-Shamery, H.-J. Freund, V.
Staemmler, M. Wierzbowska, Interaction
and diffusion of potassium on Cr2O3(0001)/Cr(110).
Phys. Rev. B62, 7527-7534 (2000)
2.
M.
Wierzbowska, Ab initio Calculations for
the Adsorption of Oxygen and Potassium on the Cr2O3(0001)
Surface, praca doktorska, obrona: Instytut Fizyki UMK, Toruń, 6’2000
Prowadzono prace rozpoznawcze i studialne w następujących kierunkach: oddziaływanie tlenu molekularnego z atomami i małymi cząsteczkami; zastosowanie różnego typu funkcjonałów mieszanych w metodzie DFT; zastosowanie metod DFT do opisu stanów otwartopowłokowych; zastosowanie reprezentacji zmiennej dyskretnej (DVR - Discrete Variable Representation) do numerycznego wyznaczania poziomów oscylacyjno-rotacyjnych małych cząsteczek; jonorodniki aromatyczne jako hipotetyczny składnik „ciemnej materii” w przestrzeni kosmicznej.
b) Wykonano obliczenia krzywych
potencjalnych dla stanów X S1/2,
A 2P1/2 układów HeNe+, HeAr+.
Zastosowano metodę funkcjonałów gęstości w wariancie „adiabatycznej
kontynuacji“, dokonując reparametryzacji oryginalnego funkcjonału Becke'go B3.
Użyto wysokiej klasy bazy funkcyjne typu cc-pVQZ (klasa „quadruple-zeta“),
specjalnie poszerzone dla dobrego opisu polaryzowalności He w polu jonów
dodatnich atomów ciężkich; uwzględniono sprzężenie spin-orbita. Otrzymane
krzywe potencjalne użyte zostały do wyznaczenia (metodą całkowania
numerycznego) rodzin poziomów oscylacyjno-rotacyjnych, i na tej podstawie,
poprzez analizę Dunhama - zestawów stałych molekularnych charakteryzujących
poszczególne stany elektronowe. Stosując stosunkowo proste i niekosztowne podejście
typu DFT uzyskano ostatecznie odtworzenie znanych doświadczalnie wartości
stałych molekularnych z dokładnością porównywalną z najlepszymi wynikami innych
autorów, obliczonymi przy użyciu najbardziej zaawansowanych metod molekularnej
mechaniki kwantowej. Wyniki przygotowywane są do publikacji.
c) Kontynuowano
badania nad modelowaniem elementarnych procesów prowadzących do powstawania
tzw. reaktywnych form tlenu (RFT), odgrywających istotną role w wielu procesach
chorobowych. Badano tzw. cyklu Fentona (rozpad H2O2 pod działaniem O2- katalizowany jonami Fe2+/3+),
przyjmowany obecnie jako podstawowy mechanizm generowania rodników
wodorotlenowych (OH.)
w organizmach aerobowych. Zastosowane zostały metody HF i DFT. Dotychczasowe
wyniki wskazują, że konieczne jest uwzględnienie środowiska wodnego, w którym
reakcja ta zachodzi w warunkach fizjologicznych.
d) W oparciu o literaturę (prace grupy Lighta) zbudowano zespół programów komputerowych realizujących podejście Discrete Variable Representation (DVR) do numerycznego wyznaczania poziomów oscylacyjnych cząsteczek dwu- i trój-atomowych. Przebadano stabilność numeryczną algorytmów w różnych warunkach. W podejściu DVR wyznaczono poziomy oscylacyjno-rotacyjne układów HeNe+ i HeAr+, oraz poziomy oscylacyjne (z pełnym uwzględnieniem efektów anharmonicznych i ruchów o dużych amplitudach) układów LiCN, LiNC, HNS, HSN, SO2. Wyniki tych obliczeń włączone zostaną do kilku publikacji.
II.2.11 Opracowanie nowych metod opisu efektów
korelacji elektronowej.
Badania te wykonywane były w ramach grantu KBN (kierowanego przez prof. K. Jankowskiego z Instytutu Fizyki UMK), w realizacji którego uczestniczy prof. Wasilewski, oraz przez dr Mellera, przebywającego na stażu na Uniwersytecie Cornell.
a) Prowadzone były badania układów modelowych w ramach nowych wersji wieloreferencyjnych metod sprzężonych klasterów (MRCC - Multi-Reference Coupled Clusters) w sformułowaniach walencyjnie-uniwersalnym, stanowo-uniwersalnym i stanowo-specyficznym. Badania dotyczyły wpływu bazy jednocząstkowej (formy orbitali molekularnych) na zbieżność rozwinięcia klasterowego dla stanów podstawowych i wzbudzonych, ze szczególnym uwzględnienie występowania tzw. stanów obcych („intruderów„). Prof. Wasilewski jest aktywnym uczestnikiem seminarium naukowego dotyczącego teorii korelacji.
1. K. Jankowski, K. Rubiniec, J. Wasilewski, Coupled cluster energy dependence of reference-state choice: impact of cluster operator structure. Chem. Phys. Letters (2000) - wysłana
b) Regularnie odbywało się seminarium naukowe Metody
komputerowe w badaniach układów wieloatomowych, prowadzone wspólnie z
Zakładem Chemii Teoretycznej i Zakładem Chemii Kwantowej (Wydział Chemii UMK);
członkowie zespołu prof. Wasilewskiego wygłosili na nim w omawianym okresie w
sumie referatów, w tym cykl dotyczący podstaw i zastosowań teorii funkcjonałów
gęstości.
c) Przy współpracy z Katedrą Chemii Syntetycznej Uniwersytetu w Kyoto rozpoczęto pracę nad zastosowaniem metod oddziaływania konfiguracyjnego do opisu stanów wzbudzonych cząsteczek o znaczeniu biologicznym. Dr Meller przebywał tam na stażu na tym uniwersytecie do końca 1998 roku. Nawiązano również współpracę z Kyoto Institute of Technology w dziedzinie badań nad rozwojem metod chromatograficznych W przygotowaniu są dalsze publikacje, związanych z tym pobytem.
1.
Wan J,
Meller J, Hada M, Ehara M, Nakatsuji H, Electronic excitation spectra
of furan and pyrrole: Revisited by the symmetry adapted cluster-configuration
interaction method.
Journal of Chemical Physics (2000) 113: 7853-7866
2. Meller J, Nakatsuji H. SAC-CI study on biliverdin derivatives (w przygotowaniu)
II.2.12. Rozwój i
zastosowania metod dynamiki molekularnej (dr J. Meller)
W ramach współpracy z grupa prof. Rona Elbera z Cornell University, gdzie dr Meller przebywał na stażu w 1999 roku kontynuowano badania nad rozwojem algorytmów symulacyjnych typu dynamiki molekularnej oraz zastosowaniem tych algorytmów do symulacji białek na wielką skalę. Badania te prowadzono również korzystając z grantu UMK „Klasyczne i kwantowe modele białek hemowych” (J. Meller, główny wykonawca) przy współpracy z Instytutem Fizyki UMK. Przeprowadzono symulacje na wielką skalę zwijania się peptydów, osiągnięto również bardzo ciekawe wyniki dla białek blokujących wzrost pomidorów. Artykuł w Science przedstawiony został jako przełomowy w „highlights”.
Publikacje związane z tym tematem:
1.
Meller J (2000), Molecular Dynamics.
Encyclopedia of Life Sciences, Macmillan Reference Ltd (w druku)
II.2.13. Rozwój metod
bioinformatycznych (dr J. Meller)
Przy współpracy z R. Elberem z Cornell University zaproponowano i rozwinięto szereg nowatorskich metod bioinformatycznych. W szczególności opracowano nowe, efektywne i dokładne, metody rozpoznawania trzeciorzędowych struktur białkowych, nowe algorytmy porównywania sekwencji amionokwasów (problem jednowymiarowy) oraz nowe algorytmy porównywania topologii białek (problem trójwymiarowy). Nowe algorytmy zostały zaimplementowane w kolejnych wersjach pakietu obliczeniowego LOOPP, który jest również dostępną w postaci serwera sieciowego umożliwiającego automatyczna annotację sekwencji genomicznych. Dzięki zastosowaniu nowych metod stało się możliwe, między innymi, zidentyfikowanie podobieństwa pomiędzy nowo odkrytymi genami, kontrolującymi fenotypowe zróżnicowanie pomidorów (wielkość owoców), a ludzkimi białkami typu Ras p21, których zaburzenia funkcji prowadzą do niekontrolowanego mnożenia się komórek i w rezultacie do chorób nowotworowych. Artykuł na ten temat trafił na okładkę prestiżowego pisma Science a dr Meller wygłosił na ten temat referat na University of California San Francisco, oraz na Rockefeller University, New York w czasie publicznej prezentacji nowego projektu współpracy pomiędzy Cornell University, Rockefeller University i Sloan Cancer Research Center.
1. Anne Frary, T. Clint Nesbitt, Amy Frary, Silvana Grandillo, Esther van der Knaap, Bin Cong, Jiping Liu, Jaroslaw Meller, Ron Elber, Kevin B. Alpert, Steven D. Tanksley (2000) fw2.2: A Quantitative Trait Locus Key to the Evolution of Tomato Fruit Size. Science 289: 85-88
2.
Meller J, Elber R. Towards large
scale, statistically significant, threading experiments. Choice of energies and
statistical verifications (wysłane)
3.
Meller J, Elber R. (2000) LOOPP 2.0
- Learning, Observing and Outputting Protein Patterns, a public domain package
for protein recognition and designing folding potentials, część zasobów
National Institute of Health, USA, oraz serwer “Web protein prediction”,
Cornell Theory Center, http://www.tc.cornell.edu/CBIO/loopp/
C) Badania w
zakresie dydaktyki wspomaganej metodami komputerowymi.
II.2.14. Badania w zakresie dydaktyki wspomaganej
metodami komputerowymi.
Badania te prowadzą nasi wykładowcy przy współpracy z prof. Duchem.
a) Prof. Wasilewski włożył dużo pracy w formułowania nowych programów nauczania nauk komputerowych (computational science) oraz do reformy programu nauczania przedmiotów o charakterze informatycznym na Wydziale Fizyki i Astronomii UMK. Jest on głównym autorem programu kształcenia komputerowego na latach 1-3 dla studentów fizyki i astronomii. Przeprowadzono zasadniczą reformę programu kształcenia i opracowano nowych program studiów w zakresie technologii informatycznych (przy współpracy z Inst. fizyki UMK).
b) Pomagamy w tworzeniu nowych programów nauczania,
np. w zakresie kształcenia lekarzy z naszego regionu w używaniu komputerów i
Internetu. Prof. Duch był od 1998 roku koordynatorem projektu MedUni
dotyczącego tego tematu. Projekt został przedłużony do połowy 2000 roku.
c) Utrzymujemy
i rozszerzamy strony WWW dotyczące wszystkich spraw związanych z komputerami,
fizyką komputerową, sieciami neuronowymi, sztuczną inteligencją,
kognitywistyką, badaniami nad mózgiem. Ze stron tych korzysta bardzo wiele
osób.
Sieci neuronowe, badania nad mózgiem i statystyka:
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/neural.html oraz http://www.fizyka.umk.pl/neural/neural.html
Kognitywistyka
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/cognitive.html
Sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe, http://www.fizyka.umk.pl/~duch/ai-ml.html
Oprogramowanie i bazy danych do testów metod inteligencji obliczeniowej
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/software.html
Fizyka komputerowa,
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/fiz-komp/index.html
d) W
ramach eksperymentów z nauczaniem na odległość udostępniliśmy wiele stron
Internetowych z notatkami do wykładów, pod adresem:
http://www.fizyka.umk.pl/~duch/Wyklady/index.htm
1.
Duch W, Wykłady
wstępne o komputerach i oprogramowaniu, Studium Podyplomowe.
2.
Duch W, Wstęp do
kognitywistyki (wykład monograficzny).
3.
Duch W, Mózg,
umysł i zachowanie (wykład monograficzny).
4.
Duch W, Sztuczna
inteligencja (wykład monograficzny).
5.
Duch W, Inteligencja
obliczeniowa (wykład monograficzny). http://www.fizyka.umk.pl/~duch/Wyklady/index.htm
e) Utrzymujemy również strony WWW dotyczące
zagadnień związanych z komputerami i oprogramowaniem. Dziedzina ta, zwana w
krajach anglojęzycznych „information
science“, nie wyodrębniła się jeszcze w Polsce.
Adres: http://www.fizyka.umk.pl/~duch/book-fsk.html
Ze stron tych korzysta bardzo wiele osób (licznik wskazywał ponad 7000 przy końcu 1999 roku i około 1000 nowych załadowań strony miesięcznie). Są to pierwsze książki nadające się jako podręcznik do dziedziny określanej w krajach anglosaskich mianem „information science”, dotyczącej zastosowań komputerów do przetwarzania informacji, i w niektórych ośrodkach akademickich już znalazły takie zastosowanie.
oryginalnych prac badawczych: 35, w tym w recenzowanych wydawnictwach międzynarodowych 12, w tym z listy Filadelfijskiego Instytutu Informacji Naukowej 9, w recenzowanych wydawnictwach krajowych 9, oraz 14 prac w materiałach konferencji międzynarodowych.
podręczników i skryptów: 0
publikacji naukowo-popularnych: 1
redakcji książek naukowych, tłumaczeń: 1
artykułów, recenzji: 21
prac doktorskich: 2
Prac wysłanych: 6
Podano przy omawianiu poszczególnych zagadnień; pełny spis znajduje się w Załączniku 2b.