Přeskočit na hlavní obsah
Přeskočit hlavičku

O doktorském studiu

  • Standardní délka studia jsou 4 roky.
  • Studovat lze v prezenční i kombinované formě.
  • Uchazeč se hlásí ke konkrétnímu tématu disertační práce a ke školiteli. Těžištěm studia je samostatná vědecká a výzkumná činnost v oblasti vymezené tématem disertační práce. Témata jsou většinou spojeny s výzkumným projektem, v němž je doktorand zaměstnán.
  • Studium je uskutečňováno dle osobního studijního plánu, který sestavuje doktorand společně se školitelem. Jeho obsahem je zejména plán studijní části a vědecko-výzkumné činnosti doktoranda, včetně předmětů, aktivit a dalších studijních povinností.
  • Doktorandi se můžou zapojit do činnosti katedry, zejména formou výuky, popularizačních přednášek, účasti na popularizačních akcích a dalších odborných a organizačních aktivitách.
  • Hlavním výstupem celého doktorského studia je sepsání, odevzdání a úspěšná obhajoba disertační práce, ke které směřují všechny studijní a výzkumné aktivity.
  • V případě jakýchkoli dotazů se neváhejte obrátit na garanta studijního programu, který Vám rád poskytne bližší informace.

Tematické okruhy disertačních prací

Témata disertačních prací nejsou omezena pouze na ryze matematické problémy. Část z nich je motivována nebo přímo vznikla ve spolupráci s ostatními katedrami Fakulty elektrotechniky a informatiky, případně se zabývá matematickými aspekty problematik spadajících do jejich odborného zaměření.

Jako příklad lze uvést smíšenou metodu FEM pro nedestruktivní defektoskopii draku letadla, která byla řešena ve spolupráci se společností Honeywell. Dalším příkladem je FEM–BEM metoda pro modelování tváření plechů elektromagnetickým polem, realizovaná v rámci spolupráce většiny kateder fakulty s Fraunhoferovým institutem IWU v Chemnitzu. Dále lze zmínit např. adaptaci optimálních QP algoritmů pro úlohy optimálního řízení (kybernetika), paralelní 3D registraci obrazu (informatika, biomedicínské inženýrství) či problematiku spolehlivosti energetických sítí (elektroenergetika).

Je vhodné doplnit, že některá témata jsou motivována rovněž problémy řešenými na jiných fakultách, v Národním superpočítačovém centru IT4Innovations či dokonce na mimouniverzitních pracovištích (např. Fakultní nemocnice Ostrava). Tento interdisciplinární přesah je přirozeným důsledkem role oboru Výpočetní a aplikovaná matematika na VŠB–TUO.

Hlavní směry současného výzkumu a disertačích prací:

  • Paralelní časo-prostorová BEM pro vlnovou rovnici
  • Časo-prostorová diskretizace na bázi nespojité Galerkinovy metody pro parabolické rovnice vedení tepla a proudění tekutin
  • Metoda hraničních prvků vyšších řádů implementována na GPU
  • Paralelní 3D smíšená FEM pro elasticitu, která je robustní vůči locking efektům
  • Kompozitní FEM pro modelování trhlin
  • FEM-BEM metoda pro modelování tváření plechů elektromagnetickým polem
  • Urychlení elasto-dynamických simulací pomocí paralelizace
  • Analýza podmíněností klastrů s aplikacemi ve vývoji masivně paralelních H-TFETI algoritmů
  • Využití škálovatelných TFETI algoritmů pro masivně paralelní registraci 3D objektů a aplikacemi v lékařství
  • Paralelní implementace algoritmů pro výpočet elektronové struktury molekul v Hartree-Fockově aproximaci s využitím tenzorových metod a moderních optimalizačních algoritmů
  • Variační metody pro úlohy typu minimax
  • Adaptace optimálních QP algoritmů na řešení úloh optimálního řízení s dlouhým horizontem např. optimální řízení dronu
  • Řešení úloh tvarové optimalizace pro kontaktní úlohy se třením (zejména Coulombovým)
  • Optimalizace minimálního nejvyššího odchozího stupně v orientaci grafu
  • Studium řídkých grafů
  • Výpočty elektronové struktury molekul a molekulových komplexů, modelování kvantových efektů v jaderných stupních volnosti či modelování neadiabatické srážkové dynamiky molekul
  • Kvantifikace a kvalifikace dynamických vlastností reakčně difuzních modelů
  • Vývoj metod modelování spolehlivosti energetických sítí
  • Aplikace metod analýzy diskrétních dynamických systémů na dynamiku rotorů
  • Pokročilé statistické, bayesovské a machine-learningové metody v aplikacích
  • Stochastické modelování, optimalizace a analýza rizik komplexních systémů

Ukázky disertačních prací

Martin Čermák

Efficient solvers for modeling and simulation of elasto-plastic material behavior

Práce se zabývá návrhem algoritmu pro efektivní paralelní řešení elasto-plastických problémů se zpevněním, který je založený na metodě rozložení oblasti typu TFETI. V práci jsou uvažovány tři různé elasto-plastické modely: von Mises model s izotropním zpevněním, von Mises model s kinematickým zpevněním a Drucker-Prager dokonale plastický model. Tyto modely jsou v čase diskretizovány implicitní Eulerovou metodou a výsledný elasto-plastický problém jednoho časového kroku je diskretizovaný metodou konečných prvků. Výsledkem po prostorové diskretizaci je systém nelineárních rovnic s rovnostními nebo nerovnostními omezeními. Pro řešení tohoto nelineárního systému je použita semi-hladká Newtonova metoda. Odpovídající linearizované problémy vznikající v každé Newtonově iteraci jsou řešeny paralelně metodou TFETI.

Navržený algoritmus byl implementován paralelně v Matlabu a jeho efektivita včetně paralelní a numerické škálovatelnosti jsou ilustrovány na příkladech elasto-plastického chování ve 2D a 3D. Dále jsou v práci prezentovány a diskutovány numerické výsledky pro různé časové diskretizace a úrovně zjemnění sítě a také je zde pozorována lokální kvadratická konvergence semi-hladké Newtonovy metody.

Lukáš Pospíšil

Vývoj algoritmů pro řešení minimalizačních problémů s konvexní kvadratickou funkcí na speciálních konvexních množinách a aplikace

Numerické řešení mnoha inženýrských úloh vede na minimalizaci konvexní kvadratické funkce s rovnostními popř. nerovnostními omezeními – tzv. úlohu kvadratického programování. Tato práce se zabývá vývojem a implementací algoritmů s obrovským počtem neznámých pro úlohy kvadratického programování zejména s nerovnostními omezeními složitějšími než lineárními jako jsou např. kontaktní úlohy se třením se sférickými či eliptickými nerovnostními omezeními, nebo úlohy granulární dynamiky využívající metodu diskrétních prvků (DEM) nebo diferenciální variační nerovnice (DVI) - viz. obrázek. V DVI metodě úloha kvadratického programování s lineárním nerovnostním omezením musí být řešena v každém časovém kroku simulace, neznámými zde jsou normálové kontaktní síly mezi tělesy. V případě, že uvažujeme i Coulombovské tření, obržíme úlohu kvadratického programování se separovatelnými kónickými omezeními, odpovídající neznámé pak reprezentují třecí kontaktní síly. Efektivita jednotlivých algoritmů implementovaných v CUDĚ byla porovnána na řadě testovacích benchmarků.

Michal Merta

Paralelní metody hraničních prvků v prostoru a času 

Rozvoj paralelních počítačů vede k novým impulsům v numerické matematice. V případě řešení parciálních diferenciálních rovnic popisujících fyzikální pole je paralelizace na úrovni 3D geometrie již velmi dobře zvládnutá a snažíme se ji kombinovat s paralelizací v čase. Nejobecnější přístup je nahradit tradiční časové řezy (semi-diskretizace) Galerkinovou metodou pro celý prostoročas. Metoda hraničních prvků je k tomu velmi vhodná, neboť se zde diskretizuje pouze hranice těles a prostoročas tak má pouze 3 dimenze. Cenou za to je zaplnění matic výsledných soustav lineárních rovnic. V rámci této dizertační práce se podařilo implementovat paralelní prostoro-časovou metodu hraničních prvků pro vlnovou rovnici (akustiku). K paralelizaci byl využit hybridní model OpenMP-MPI a numerické experimenty byly provedeny na superpočítači Anselm.

Práce byla publikována v prestižním časopise International Journal for Numerical Methods in Engineering ve spolupráci s Alexandrem Veitem ze skupiny předního odborníka na metodu hraničních prvků, prof. Sautera z Curychu.

Jan Zapletal

Metoda hraničních prvků pro řešení úloh tvarové optimalizace ve 3D

Aktivní výzkum metody hraničních prvků (BEM) v průběhu posledních desetiletí umožnil tuto metodu použít v oblasti tvarové optimalizace, kde je třeba mnohokrát vyřešit danou stavovou úlohu modelující například šíření tepla či problémy elektrostatiky. V disertační práci je představen algoritmus pro řešení úloh tvarové optimalizace založený na BEM, který může posloužit také pro řešení inverzních problémů včetně tzv. Bernoulliho úlohy s volnou hranicí. Pro diskretizaci návrhových proměnných, tedy hledaných tvarů, je použita metoda hierarchických sítí dobře známá z počítačové grafiky. V práci je rovněž popsána efektivní implementace BEM pro moderní procesory, které se běžně vyskytují v HPC prosředích a umožnují paralelismus na několika úrovních. Teoretická část práce je podpořena numerickými experimenty prokazujícími škálovatelnost navržených přístupů a efektivitu hierarchického algoritmu.

Disertační práce byla oceněna Cenou Josepha Fouriera v oblasti počítačových věd a Cenou Prof. Babušky za rok 2017.