Rahoitettavat hankkeet (MaDaMe)

Suomen Akatemian Matemaattisten mallien ja menetelmien kehittäminen eri tieteenaloille - tutkimusohjelma MaDaMe

Rahoitettavat hankkeet:


a) Konsortiot, joilla on yksi yhteinen tutkimussuunnitelma

1. Bayesilaisten menetelmien kehittäminen ja soveltaminen geofysiikkaan ja ympäristötutkimukseen

Heikki Haario, konsortion johtaja / Helsingin yliopisto
Erkki Kyrölä, Ilmatieteen laitos
Petteri Taalas, Ilmatieteen laitos
Pertti Vakkilainen, Teknillinen korkeakoulu

Myönnetty rahoitus: 3 500 000 mk

Tutkimusprojektissa kehitetään ja tutkitaan datan inversio- ja assimilaatiomenetelmiä käyttäen hyväksi Bayesilaista lähestymistapaa. Erityisen mielenkiinnon kohteena ovat adaptiiviset Markovin ketju Monte Carlo -menetelmät (MCMC) inversio-ongelmien ratkaisijana. Kehitettyjä menetelmiä sovelletaan ja testataan laajasti useisiin
geofysikaalisiin ongelmiin. Ilmakehän satelliittimittauksiin, erityisesti yläilmakehän otsonia mittaavan GOMOS-mittalaitteen datankäsittelyyn, sovelletaan MCMC-menetelmiä ja tuloksia assimiloidaan kemialliseen ilmakehämalliin. Muita sovellutuskohteita ovat revontulimittausten kuvankäsittely ja tomografia sekä vesistöjen rehevöitymismallit.


2. MHD-simulaatioiden teoria ja magnetosfäärisovellutukset

Hannu Koskinen, konsortion johtaja / Helsingin yliopisto
Tuija Pulkkinen, Ilmatieteen laitos

Myönnetty rahoitus: 2 000 000 mk

Tutkimusprojekti liittyy läheisesti kansainvälisiin hankkeisiin aurinkomaafysiikan ja avaruussään tutkimuksen aloilla. Päätavoitteena on kehittää Magnetohydrodynaamisia (MHD) avaruusplasman simulaatiomenetelmiä. Projekti sisältää ratkaisumenetelmien teorian kehitystyötä, tietokonesimulaatioiden optimointia ja menetelmien soveltamista magnetosfäärin fysiikkaan. Avaruussään tutkimuksessa pyritään kehittämään menetelmiä ennustamaan avaruuden olosuhteita, jotka ovat haitallisia teknologisille laitteille niin avaruudessa kuin maan päälläkin.


3. Ihmiskehon dynaaminen adaptiivinen mallinnus

Malmivuo, Jaakko, konsortion johtaja / Tampereen teknillinen korkeakoulu
Jari Järvinen, CSC-Tieteellinen laskenta
Raimo Sepponen, Teknillinen korkeakoulu

Myönnetty rahoitus: 2 800 000 mk

Projektin tavoitteena on kehittää entistä tarkempia potilaskohtaisesti sovellettavia sydämen ja aivojen toimintaa kuvaavia matemaattisia malleja, joiden avulla on mahdollista tarkentaa sairauksien diagnostiikkaa ja hoitoa. Kehitettävät mallit kuvaavat näiden elinten biosähköistä ja sydämen osalta myös biomekaanista toimintaa. Uuden sukupolven mallinnusmenetelmät ovat sekä dynaamisia että adaptiivisia. Dynaaminen malli kuvaa ihmisruumiin toiminnan eri vaiheita, kuten sydämen supistumisen ja lepotilan. Adaptiivisuus tarkoittaa sitä, että mallin ominaisuudet voidaan sovittaa juuri tutkittavan potilaan anatomian mukaisiksi. Vain näin voidaan rakentaa riittävän tarkkoja malleja, joiden avulla pystytään optimoimaan sairauksien diagnosoinnissa käytettäviä kriteerejä. Mitä tarkempi malli on käytettävissä, sitä tarkemmin pystytään myös analysoimaan sydämestä ja aivoista mitattuja signaaleja.
                                                                                               
4. Kompleksisten systeemien stokastinen adaptiivinen dynamiikka

Pekka Orponen, konsortion johtaja / Jyväskylän yliopisto
Tapio Ala-Nissilä, Teknillinen korkeakoulu
Ilkka Hanski, Helsingin yliopisto
Seppo Honkapohja, Helsingin yliopisto
Kimmo Kaski, Teknillinen korkeakoulu
Eva Kisdi, Turun yliopisto
Antti Kupiainen, Helsingin yliopisto

Myönnetty rahoitus: 4 937 500 mk

Konsortio keskittyy selvittämään satunnaisilmiöiden ja ympäristövuorovaikutuksen merkitystä kompleksisten systeemien käyttäytymiseen. Kompleksisella systeemillä tarkoitetaan väljästi ottaen mitä tahansa järjestelmää, joka koostuu suuresta joukosta sinänsä yksinkertaisia, mutta vahvasti vuorovaikuttavia osia. Tällaisten järjestelmien käyttäytyminen on ollut viime vuosina suuren mielenkiinnon kohteena useilla tieteenaloilla. Myös tieteidenvälinen vuorovaikutus on ollut intensiivistä, koska on osoittautunut että samat modernit matemaattiset mallinnusmenetelmät soveltuvat kuvaamaan niin fysiikan kuin biologian, talous- tai tietojenkäsittelytieteen ilmiöitä. Sovelluskohteina ovat niin populaatiot ekologisissa tutkimuksissa kuin talouskasvu ja osakemarkkinat. Konsortioon osallistuu tutkijoita matematiikan, fysiikan, ekologian, biomatematiikan, taloustieteen, tieteellisen laskennan ja tietojenkäsittelyteorian aloilta.


5. Anisotrooppiset inversio-ongelmat biolääketieteeseen sovellettuna

Erkki Somersalo, konsortion johtaja / Teknillinen korkeakoulu
Risto Ilmoniemi,  HYKS
Jari Kaipio, Kuopion yliopisto
Matti Lassas, Helsingin yliopisto
Jukka Nenonen, Teknillinen korkeakoulu

Myönnetty rahoitus: 2 578 000 mk

Tutkimuksen tavoitteena on tehdä sekä teoreettista että soveltavaa tutkimusta matemaattisten inversio-ongelmien ja niiden biolääketieteellisten sovellutusten parissa. Erityiskohteena ovat elävät kudokset. Luotettava kudosmallinnus vaatii kehittynyttä matemaattista ja laskennallista koneistoa sekä uusinta mittausteknologiaa, jonka avulla malleihin sisältyvät periaatteelliset ongelmat voidaan osittain tai kokonaan poistaa. Tutkimuskonsortiossa sovellusten pääpaino on sydämen ja aivojen toiminnan ja rakenteen selvittämiseen liittyvissä mittaustekniikoissa sekä ns. verettömään kirurgiaan tähtäävässä tekniikassa.


6. Kuituverkkojen elastisuuden ja suotautumisen mallinnus

Jussi Timonen, konsortion johtaja / Jyväskylän yliopisto
Pasi Koikkalainen, Jyväskylän yliopisto
Tommi Kärkkäinen, Jyväskylän yliopisto
Antti Penttinen, Jyväskylän yliopisto

Myönnetty rahoitus: 2 900 000 mk

Projektin tarkoituksena on kehittää menetelmiä kuituverkostojen kuvankäsittelyyn pohjautuvaan rakenneanalyysiin ja sen kautta rakenteellisten ominaisuuksien mallintamiseen. Työssä yhdistetään sovelletun matematiikan, tietotekniikan, tilastotieteen ja fysiikan menetelmiä monitieteelliseksi lähestymistavaksi. Tavoitteena on tehokkaiden uusien menetelmien soveltaminen digitaalisten kuvien kohinanpoistoon, rakenteiden tunnistusalgoritmeihin ja rakenteiden analysointiin ja luokitteluun sekä näiden tuottamiin tuloksiin perustuvaan tilastolliseen ja fysikaaliseen kuituverkkojen ja niiden ominaisuuksien mallintamiseen. Pääasiallisina sovelluskohteina ovat paperinvalmistus ja luun ominaisuuksien diagnosointi.


7. Integroidut laskentamenetelmät genomin, proteomin ja metabolian mallinnuksessa

Esko Ukkonen, konsortion johtaja / Helsingin yliopisto
Aristos Aristidou, VTT

Myönnetty rahoitus: 1 500 000 mk

Hankkeen päätavoitteena on kehittää laskentamenetelmiä ja tietokoneohjelmistoa genomisen, proteomisen ja metaboliadatan kokonaisanalyysiä ja matemaattista mallintamista varten. Tarkoituksena on maksimoida eri tavoin - genomin, proteomin ja metaboliittien tasoilta - saatavan informaation antama hyöty ja pyrkiä sen yhteensovittamiseen. Hankkeessa sovelletaan ja kehitetään useita laskentatekniikoita kuten hahmonsovitusta, koneoppimista, data mining - tekniikoita, tietämyksen esittämistä ja sekvenssien analyysiä. Hankkeen tuottamien työkalujen ja menetelmien odotetaan parantavan laskennallisia ja analyyttisiä mahdollisuuksia geenien säätelyn ja soluaineenvaihdunnan perustutkimuksessa.



b) Yksittäiset hankkeet


1. Luonnossa esiintyvien rakenteiden kartoitus: geenit, puut ja jää

Elja Arjas, Helsingin yliopisto
Myönnetty rahoitus: 2 000 000 mk

Projekti kattaa useita eri soveltavia tutkimusalueita, ulottuen molekyyliepidemiologiasta ja populaatiogenetiikasta aina metsäekologiaan ja geofysiikkaan. Matemaattisen mallintamisen ja data-analyysin näkökulmasta niillä on kuitenkin useita yhteisiä piirteitä, kuten todennäköisyysmallien systemaattinen käyttö tarkasteltavan ilmiön kuvaajana. Sovelluskohteita ovat geeniperäisten kompleksisten ominaisuuksien kartoitus, metsän latvustorakenteen estimointi ja merijään kartoitus. Yhteistyössä Merenkulkulaitoksen kanssa tehtävässä tutkimuksessa pystytään mm. parantamaan merijään satelliittikuvien tarkkuutta.


2. Syöpätaakka tulevaisuuden väestössä

Timo Hakulinen, Helsingin yliopisto
Myönnetty rahoitus: 2 118 000 mk

Hanke kehittää syöpätautien ilmaantuvuus-, vallitsevuus- ja kuolleisuusennusteiden sekä syöpäpotilaiden väestöpohjaisten elossaololukujen tilastollista mallittamista. Suomen syöpärekisterin tietoja täydennetään ja täydellistetään ottamalla edustavia otoksia kliinisistä tiedoista. Myös simulaatiokokeita käytetään arvioimaan menetelmien käytettävyyttä. Ennusteita käyttävät hyödyksi niin viranomaiset mitoitus- ja priorisointityössään kuin lääke-, hoito- ja kuntoutusvälineteollisuus suunnatessaan toimintaansa ja mitoittaessaan tuotantovolyymiaan.


3. Hierarkkisen systeemin rakenteellinen dynamiikka: metsikön kasvumallien matemaattisia ja laskennallisia menetelmiä

Annikki Mäkelä, Helsingin yliopisto
Myönnetty rahoitus: 2 200 000 mk

Hankkeen tavoitteena on kehittää ja soveltaa matemaattista mallitusta ja laskennallisia menetelmiä metsiköiden rakenteellisen dynamiikan kuvaukseen. Metsän kasvututkimuksen keskeisiä haasteita on oppia ymmärtämään ja ennustamaan metsän kehitystä sen osien vuorovaikutuksesta lähtien. Metsänhoidon suunnittelussa rakenteellisten mallien tarve on lisääntynyt, kun metsänhoito-ohjeet ovat alkaneet suosia entistä heterogeenisempia metsiköitä. Rakenteellis-toiminnallisten mallien avulla voidaan ymmärtää esimerkiksi itseharvenemisen ja stagnaation perusteita. Viime kädessä tutkimus parantaa arvioita siitä kuinka metsät reagoivat esimerkiksi ilmastonmuutokseen.


4. Laskennallinen bioprosessitekniikka

Markku Nihtilä, Kuopion yliopisto
Myönnetty rahoitus: 800 000 mk

Projektissa tutkitaan bioprosessitekniikkaan sovellettavia laakeita järjestelmiä ja niiden säätösuunnittelua. Pyrkimyksenä on eräiden biotekniikan ja elintarviketekniikan prosessien mahdollisimman tarkka mallittaminen ja mallien analyysi. Sovelluskohteina ovat pohjaveden käsittely mikrobien avulla, entsyymipohjainen sokerien käsittely, elintarviketeknologia ja säteilyhoito.


5. Tutka- ja sonarmittausten matemaattinen mallintaminen inversioratkaisuja varten

Lassi Päivärinta, Oulun yliopisto
Myönnetty rahoitus: 2 500 000 mk

Projektissa kehitetään matemaattisia malleja kuvaamaan eri tilanteissa sirontaprosessia ja tutkamittausten toimintaa. Käytännön sovelluskohteet tulevat Sodankylän geofysikaalisen observatorion hankkeista. Teollisia sovellutuksia ovat synteettinen apertuurin sonar ja uusi säätutka. Tieteellisiä sovellutuksia ovat uudet EISCATin signaalinkäsittelymenetelmät, uudet synteettisen apertuurin menetelmät ja niiden soveltaminen kaukokartoitustutkiin sekä Marsin pinnan kartoitus teleskoopilla ja avaruusromun etsintä, jota tehdään yhteistyössä Euroopan avaruusjärjestön kanssa.


6. Populaatioekologisen ja evolutiivisen mallintamisen yhdistäminen

Esa Ranta, Helsingin yliopisto
Myönnetty rahoitus: 1 300 000 mk

Projektin tavoitteena on ymmärtää kuinka tilarakenne vaikuttaa populaatioihin ja yhteisöprosesseihin niin ekologisessa kuin evolutiivisessa aikaskaalassa. Peruste tutkimukselle tulee siitä, että ekologinen maailma on selvästi spatiaalinen, missä jokainen organismi on erillinen yksikkö, joka on vuorovaikutuksessa vain lähiympäristönsä kanssa. Tutkimus keskittyy elinkaaren evoluutioon, luonnonvarojen käyttöön ja asuinympäristön valintaan sekä populaatioiden hoitoon. Selkeä sovelluskohde on biodiversiteetin ylläpitäminen ja tutkimus asettaakin kyseenalaiseksi useita perusteita, joihin nykyinen ekosysteemien suojelu nojaa.


7. Laskennallisesti tehokkaat syvälaskumenetelmät

Henry Tirri, Helsingin yliopisto
Myönnetty rahoitus: 1 800 000 mk

Projektissa kehitetään teoriaa ja menetelmiä syvälaskennan ongelmien ratkaisemiseksi niin tieteessä kuin teollisuudessakin. Syvälaskennalla tarkoitetaan menetelmiä, joilla ratkotaan monimutkaisia ja laajoja mallinnus- ja analyysiongelmia käyttäen tietotekniikkaa, jolle on ominaista suuri laskentakapasiteetti ja modernit analyysiohjelmistot. Menetelmät voidaan jakaa kolmeen keskenään vahvassa vuorovaikutuksessa olevaan tutkimusalueeseen. Syvämallintaminen on ennustamista ja mallintamista erittäin suurista tietomassoista, syväoptimointi on laskennallisesti tehokasta monimuuttujaongelmien optimointia ja syvävisualisoinnissa moniulotteista dataa havainnollistetaan kehittyneillä käyttöliittymillä. Syvälaskennan sovellusalueina
projektissa ovat mm. kokeellinen hiukkasfysiikka, Internet-käytön mallinnus, Itämeren kalatalouden säätelyn mallintaminen ja Euroopan väestötutkimus.