Desarrollan sistema de cómputo para la simulación de multitudes

El mexicano Víctor Hugo Pérez Valdez desarrolla en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC), España, un sistema computacional que permite realizar la simulación y visualización de la población de ciudades completas.

Esta innovación utilizará datos reales, recolectados a través de una aplicación que será instalada en el teléfono de ciudadanos voluntarios. Lo anterior ayudará a simular conductas sociales que, a través de un análisis, podrán indicar tendencias de comportamiento masivo, indicó el estudiante de Doctorado en Arquitectura de Computadores.

El desarrollo tendrá varias aplicaciones, por ejemplo, se podría utilizar para crear más y mejores estrategias de respuesta ante situaciones de emergencia como terremotos, tsunamis o incendios, subrayó el becario del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt).

Asimismo, se podría aplicar para cuestiones de planeación urbana, salud pública (como simulación de propagación de enfermedades) y entretenimiento (planeación de eventos masivos).

Agencia Informativa Conacyt (AIC): ¿Por qué es importante la simulación y visualización de las multitudes?

Víctor Hugo Pérez Valdez (VHPV): Actualmente existen 502 ciudades que superan el millón de habitantes, 74 con más de 5 millones y 29 megaciudades que están por encima de los 10 millones; en total somos tres mil 900 millones de personas que vivimos en áreas urbanas y los estudios señalan que en los próximos años estas cifras serán mayores.

Ante este crecimiento de la población en áreas urbanas es necesario el desarrollo de modelos de cómputo que describan el comportamiento de sus habitantes.

La simulación y visualización de multitudes a gran escala, utilizando datos reales, nos permite simular comportamientos para hacer predicciones a corto y mediano plazo; detectar tendencias de comportamiento, tomar medidas preventivas y responder con oportunidad a contingencias.

AIC: ¿Cómo se realizará el desarrollo tecnológico para hacer la simulación y visualización de las multitudes?

VHPV: Sistemas como este requieren un gran cantidad de memoria y poder de procesamiento; por ello, hemos decidido desarrollarlo en un clúster de cómputo con arquitectura híbrida, combinando los procesadores convencionales con tarjetas gráficas, usadas como aceleradores.

Un clúster de cómputo es un conjunto de computadoras conectadas entre sí a través de una red de alta velocidad. En combinación con diferentes técnicas de visualización y compresión de datos, permitirá que el sistema sea interactivo y accesible desde diferentes dispositivos, de una forma sencilla.

AIC: ¿A qué retos científicos y tecnológicos te has enfrentado en el desarrollo de esta innovación?

VHPV: El proyecto es muy ambicioso e incluye diferentes áreas de estudio como big data y redes sociales, cómputo de alto rendimiento, inteligencia artificial, gráficos por computadora, interacción humano-computadora, entre otras.

Uno de los retos principales es la capacidad de combinar todas estas áreas de estudio. Además, mantenerse actualizado en el estado del arte, ya que continuamente se liberan nuevas arquitecturas de cómputo, nuevos modelos de programación o frameworks de desarrollo.

Un ejemplo de ello son las tarjetas gráficas que usamos como aceleradores de cómputo; desde que iniciamos el proyecto hemos utilizado tres generaciones diferentes: Fermi, Kepler y Maxwell. Cada una de ellas con mejores características que la anterior, la velocidad de los cambios es sorprendente.

AIC: ¿Cuál es la innovación de tu desarrollo respecto a lo que ya se encuentra en el mercado?

VHPV: La simulación y visualización de multitudes es un área de investigación muy activa; algunos de los principales productos que actualmente se comercializan son Legion, Massive y Golaem Crowd.

Son herramientas propietarias, es decir, no son software libre, utilizadas para la simulación de eventos masivos, escenas de cine, videojuegos, entre otros usos, diseñadas para ejecutarse en una sola estación de trabajo, por lo que el tamaño de la simulación –me refiero al número de personajes– y su complejidad está limitado por la memoria y capacidad de procesamiento de una máquina.

Algunos de los proyectos desarrollados para ejecutarse en un clúster de cómputo, orientados a investigación, con módulos o librerías liberados como software libre son: TRANSIMS (Transportation Analysis Simulation System), desarrollado por el Transportation Research and Analysis Computer Center (TRACC) en Estados Unidos; Flexible Large-scale Agent Modelling Environment Flame y Flame GPU, desarrollados por la Universidad de Sheffield; y Pandora, desarrollado por el pandora framework simulacionBarcelona Supercomputing Center, entre otros.

Estos proyectos están diseñados para ejecutarse en un clúster de cómputo de CPU, por lo tanto no explotan las ventajas que la tarjetas gráficas o Graphical Processing Unit (GPU) pueden darnos. Tampoco están diseñados para simular una ciudad entera. Flame fue extendido con Flame GPU, sin embargo, la versión GPU está diseñada para ejecutarse en un solo nodo.

La complejidad, el realismo y el tamaño de los sistemas de simulación y visualización son proporcionales a la capacidad de procesamiento. Por lo tanto, la fabricación de ordenadores cada vez más potentes eleva los requisitos y características del sistema.

Debido a los excelentes resultados que se pueden obtener en una sola estación de trabajo con GPU, y ya que es relativamente nuevo el uso de estos en la escena del cómputo de alto rendimiento, ha sido poco explorada la simulación y visualización de multitudes en un clúster de GPU.

Cabe señalar que los recursos de una máquina inevitablemente son limitados, el desarrollo de un sistema escalable a un clúster es necesario. El clúster de GPU nos da dos ventajas: acelera el procesamiento de datos y nos permite realizar la visualización in situ.

La visualización in situ se refiere a visualizar los datos en la misma máquina en la cual se realiza la simulación, evitando la transferencia de datos y por lo tanto haciendo más eficiente el proceso.

Nuestro sistema desde el principio está diseñado para ser ejecutado en un clúster de cómputo de GPU; puede escalar en el uso de nodos de cómputo si lo requiere, sin hacer modificaciones a la programación, alcanzando una simulación de gran magnitud.

Para lograr que sea interactivo se utilizan técnicas de visualización y compresión de datos. Asimismo, hace uso de datos reales para desarrollar nuevos modelos de conducta y está diseñado para ser accesible desde diferentes dispositivos y plataformas.

Estamos diseñando el sistema para que sea capaz de explotar los recursos de cómputo de la siguiente generación de supercomputadoras, conocida como la era exascale.

AIC: ¿Cómo piensa obtener los datos de movilidad y hábitos de conducta de los habitantes?

VHPV: Hasta hace algunos años era imposible para un investigador recolectar la información de millones de personas. Esto ha cambiado; con la participación de voluntarios, instalando una aplicación en su teléfono, pueden recolectarse una gran cantidad de datos.

En 2013, en México más de 100 millones de personas contaban con un teléfono móvil. Por seguridad, los datos son almacenados de forma anónima.

A partir de esta información, los habitantes simulados por el sistema pueden aprender diferentes tipos de comportamiento, desarrollando nuevos modelos de conducta. Estos datos son complementados por otras fuentes como los datos abiertos o datos de video.

AIC: ¿A cuántas personas voluntarias se piensa consultar?

VHPV: La convocatoria estará abierta a todo el que desee participar. Esperamos que sean millones, considerando que la Ciudad de México cuenta con más de 20 millones de habitantes, la cuarta metrópoli más poblada del planeta.

AIC: ¿En qué ciudades se piensa hacer este levantamiento de información?

VHPV: Las primeras podrían ser la Ciudad de México y Barcelona.

AIC: ¿Se podría hacer uno a escala internacional?

VHPV: Se limita a la ciudad de estudio, aunque el sistema podría configurarse para usar los datos de diferentes ciudades. Ese podría ser el siguiente paso; sería una meta muy ambiciosa y, sin embargo, necesaria de acuerdo a la tendencia en el crecimiento de la población urbana, que nos permitiría estudiar fenómenos que se presenten entre ciudades o países vecinos.

AIC: ¿Qué aplicaciones podría tener?

VHPV: Las posibilidades son muchas. Por ejemplo, entrenamiento en situaciones de emergencia como terremotos, tsunamis e incendios; planeación urbana, en el análisis de la creación de un puente, vías de tránsito o salidas de emergencia; médicas, para el análisis de la propagación de enfermedades.

Si se enfoca a las ciudades objetivo –Ciudad de México y Barcelona–, las cuales tienen una gran oferta cultural y deportiva, esta plataforma puede ser utilizada para la planeación de eventos masivos que permitan la toma de las mejores decisiones previas, durante y al finalizar la actividad.

AIC: ¿En qué fase va tu proyecto?

VHPV: Está en la etapa de desarrollo.

AIC: ¿Ya cuentan con patentes?

VHPV: No, aunque no descartamos patentar algunos de los algoritmos o técnicas que puedan surgir durante su desarrollo.

AIC: ¿Cuándo podría ser comercializado?

VHPV: Tengo planeado terminar el doctorado en abril de 2017. A partir de esa fecha podría enfocarme a comercializar el proyecto. Antes de esa fecha me gustaría invertir mi tiempo en continuar con la investigación y el desarrollo.

AIC: ¿Cuál sería el costo aproximado?

VHPV: Ese análisis aún no lo he realizado, ya que podría haber diferentes modelos de comercialización; sin embargo, me gustaría adoptar el modelo del software libre, en el cual el código fuente es liberado para que la comunidad participe en su desarrollo y sea utilizado por cualquier persona que esté interesada; esto permite que el sistema tenga una base amplia de desarrolladores y usuarios.

Puedes obtener beneficios económicos con la venta de servicios como capacitación, soporte técnico o el desarrollo de características específicas requeridas por un cliente.

AIC: ¿Quiénes serían los usuarios o compradores de este desarrollo?

VHPV: Me parece que lo ideal sería que el proyecto fuera impulsado por una institución del gobierno en conjunto con una institución académica; sin embargo, el sistema también podría ser gestionado por una organización civil, los usuarios y beneficiarios del producto seríamos todos los ciudadanos.

AIC: ¿Qué papel ha jugado el Conacyt en tu formación profesional?

VHPV: He recibido apoyo económico del Conacyt para poder realizar mis estudios en España, prácticamente todos los miembros del grupo de investigación en el que participo son o fueron becarios del Conacyt.

Asimismo, he podido conocer y contar con la asesoría de destacados científicos y tecnólogos miembros del Sistema Nacional de Investigadores (SNI), también del Conacyt, que para mí han sido fuente de inspiración.

Como pueden ver, de forma directa e indirecta, el Conacyt crea el ambiente y las condiciones que propician el desarrollo científico y tecnológico, dentro y fuera de México. (Foto: Verenise Sánchez/Agencia Informativa Conacyt)