«Чертеж – язык техника»

Серия издания
«Научные школы
МГТУ им. Н.Э. Баумана —
национального
исследовательского
университета
техники и технологий»
Научная школа
«Автоматизированные системы
организационного управления»
α …ω
Computer
МГТУ им. Н.Э. Баумана
2011
1
Направления научной школы
В настоящее время электронные вычислительные машины,
персональные компьютеры, средства информатики, базы данных широко
используются в научных исследованиях и учебном процессе на всех
кафедрах МГТУ.
Однако не всем известно, что направление «Информатика и
вычислительная техника» зародилось в конце 30-х годов на кафедре
«Счетно-решающие приборы и устройства» (ныне кафедра ИУ-5). Ее
создание было обусловлено потребностью промышленности в инженерах,
специализирующихся в области проектирования счетно-решающих приборов
для использования в системах управления различного назначения и, прежде
всего, в комплексах вооружений. Эта кафедра, основателями которой стали
профессора С.О. Доброгурский, Н.И. Пчельников, а также главные
конструкторы
приборостроительных
заводов
К.Н. Богданов
и
С.Н. Калашников, одной из первых в стране начала выпуск инженеров
такого профиля. Большое практическое значение имели их работы по
созданию систем наведения самолетов-перехватчиков, морских приборов,
приборов для управления артиллерийским зенитным огнем. Научные
труды, монографии, экспериментальные макеты систем, созданные
сотрудниками кафедры, являлись не только научно-теоретической базой при
проектировании систем управления в НИИ и КБ, но и основой для
подготовки студентов. На базе широких научных исследований были
впервые поставлены такие курсы, как «Счетно-решающие приборы»,
«Теория точности счетно-решающих устройств», «Теория и проектирование
вычислительных приборов и систем управления» и др.
В течение более чем 25 лет научное направление «Информатика и
вычислительная техника» возглавлял один из его основателей,
основоположник научной школы счетно-решающей техники в МВТУ,
заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор технических наук,
профессор Сергей Осипович Доброгурский (1879–1967). Под его руководством
были проведены экспериментальные и теоретические исследования элементов
вычислительных устройств. Значительный вклад в общую теорию
автоматизированных систем управления, оснащенных вычислительными
устройствами,
внесли
ученики
С.О. Доброгурского
профессора
Л.Н. Преснухин, В.К. Титов, Ю.М. Смирнов, В.Н. Четвериков.
Следует особо отметить деятельность профессора Леонида Николаевича
Преснухина. Созданная им отраслевая лаборатория вычислительных средств
и систем управления не только разрабатывала новые образцы
вычислительной техники, но и служила базой для обучения студентов.
Многие из этих разработок были внедрены в промышленность, в том числе
в ее оборонные отрасли. Полуавтоматические системы управления
противотанковыми управляемыми реактивными снарядами (ПТУРС) с
использованием в качестве носителей танков, вертолетов, самолетов;
2
информационно-вычислительные системы и их программное обеспечение в
зенитных ракетных и артиллерийских комплексах; системы отображения
информации на подвижных носителях — вот далеко не полный перечень
работ, выполненных отраслевой лабораторией.
За участие в разработке и освоении в серийном производстве образцов
новой техники профессорам Л.Н. Преснухину, Ю.М. Смирнову,
В.А. Бархоткину, а также доцентам А.В. Прокопьеву и И.А. Беленкову была
присуждена Государственная премия СССР (1972). Л.Н. Преснухин
принимал самое непосредственное участие в создании Московского
института электронной техники (МИЭТ) и стал ее первым ректором.
Становление
в
МГТУ им. Н.Э. Баумана
направления
«Автоматизированные системы обработки информации и управления»
связано с работами заслуженного деятеля науки и техники, доктора
технических наук, профессора Владимира Николаевича Четверикова. Под
его руководством была создана новая специальность — инженерсистемотехник в области «Автоматизированных систем обработки
информации и управления» (0646), об актуальности которой говорит факт
ее востебованности более чем в 80 вузах страны.
В рамках этого направления были созданы учебники и учебные
пособия. Среди них «Электронные цифровые вычислительные машины»,
«Подготовка и телеобработка данных в АСУ» (автор — В.Н. Четвериков), 1981 г.; «Базы и банки данных» (автор — Г.И. Ревунков), - 1987 г.;
«Вычислительная техника в управлении» (авторы — А.В. Шигин,
Л.А. Соломонов), и другие.
Под непосредственным руководством В.Н. Четверикова была
создана лаборатория «Автоматизированная информационная система»,
выполнявшая функции АСУ МВТУ им. Н.Э. Баумана. В лаборатории АИС
проводились следующие научно-исследовательские работы:
1.
Исследование
учебного
и
научного
процессов
и
совершенствование планирования и управления вузом с помощью ЭВМ
(В.Н. Четвериков, Э.Н. Самохвалов).
2.
Исследование и разработка методов и алгоритмов организации
автоматизированного
информационно-справочного
банка
данных
(Г.И. Ревунков).
3.
Исследование и разработка методов и алгоритмов построения
системы оперативного взаимодействия пользователей с базой данных
(А.М. Губарь).
4.
Исследование и разработка методов и алгоритмов управления
ресурсами оперативной памяти в системах обмена информацией
(В.А. Галкин).
5.
Исследование и разработка информационных моделей
организации мультипрограммного обеспечения систем управления базами
данных (А.Ф. Меняев).
3
6.
Исследование и разработка формализованных методов и
алгоритмов организации взаимодействия оперативной и внешней памяти
интерактивных систем (И.А. Барков).
Важное научное значение имели работы по созданию систем
отображения информации и средств взаимодействия человека с
вычислительной средой под руководством профессора Владимира
Михайловича Гасова. На кафедре им была создана лаборатория «Системы
отображения информации». Научные результаты этих работ нашли
отражение в серии из семи книг «Организация взаимодействия человека с
техническими средствами АСУ» под общей редакцией В.Н. Четверикова
(1990).
Научное направление, связанное с разработкой методов
моделирования вычислительных систем, начало развиваться на кафедре П6
(ныне ИУ-6) под научным руководством д.т.н., профессора Петрова
Виктора Яковлевича.
В 1972 году была создана «Отраслевая лаборатория вычислительных
систем» (ОЛВС), ориентированная в соответствии с приказом о ее
создании на выполнение совместных работ с научно-исследовательским
институтом «Восход». В 1977 году лаборатория в полном составе перешла
на кафедру П-5 (ныне ИУ-5). Научные работы в области разработки
методов моделирования вычислительных систем были продолжены в
ОЛВС под руководством д.т.н., профессора Петрова Алексея Викторовича.
Сотрудники лаборатории принимали непосредственное участие в создании
ряда крупных ведомственных, государственных и оборонных АСУ,
активно участвуя в заказах НИИ «Восход».
Сотрудниками лаборатории были выполнены исследования по
разработке новых методов моделирования и проектирования вычислительных
систем.
Активно развивались методы теории массового обслуживания и ее
приложений под научным руководством П.Н. Шкатова. В области
аналитического моделирования следует отметить работы П.Н. Шкатова,
В.И. Виноградова «Гибридные методы моделирования».
Л.Я. Полуян разработал и активно развивал метод вложенных
моделей, позволивший получить аналитические решения для анализа
вычислительных систем с блокировками по количеству одновременно
решаемых задач в системе или в ее отдельных подсистемах.
А.Н. Данчул
разработал
декомпозиционные
методы
в
проектировании
автоматизированных
систем
организационного
управления.
В.И. Кузовлев разработал метод псевдоэлементов, позволяющий
определять показатели надежности восстанавливаемых топологически
сложных вычислительных систем.
В.М. Постников разработал методику анализа показателей
производительности вычислительных систем развитой архитектуры,
4
формализованных в виде марковских сетей массового обслуживания с
использованием метода фонового потока.
Методы имитационного моделирования развивались под научным
руководством В.М. Черненького в направлении создания и развития
программных систем имитационного моделирования, обработки
результатов
моделирования,
методик
описания
процессов
функционирования информационных систем. В рамках направления были
разработаны: языки и системы имитационного моделирования СТАМ
(В.М. Черненький,
Б.С. Федоров,
В.И. Лисин),
СТАМ-КЛАСС
(Б.С. Федоров, С.А. Большаков, С.Б. Спиридонов, С.Н. Горшков), СТАМПРОЦЕСС (П.С. Семкин, Н.А. Мартынюк).
Были разработаны методы ускорения процедур оптимизации на
имитационных моделях за счет использования и обработки информации на
начальных участках моделирования (В.Ю. Строганов). Развитие методов
имитационного моделирования и методик его использования было
выполнено в диссертационных работах Б.С. Федорова, В.И. Лисина,
О.Ю. Архангельского, С.А. Большакова, С.Н. Горшкова, А.В. Балдина.
Теоретические и практические результаты направления широко
использовались при проектировании АСУ государственного и военного
назначения совместно с НИИ «Восход».
По результатам работ была подготовлена и издана серия из десяти
книг «Разработка САПР» под редакцией А.В. Петрова (1990). За время
существования лаборатории ее сотрудниками было защищено свыше 25
кандидатских 4 докторских диссертаций. За основополагающий учебник
для студентов инженерных специальностей вузов «Вычислительная
техника в инженерных и экономических расчетах» (1986) А.В. Петров,
П.Н. Шкатов,
М.А. Титов
и
В.Е. Алексеев
были
удостоены
Государственной премии СССР.
В последнее десятилетие на кафедре продолжились научные и
методические исследования в области создания и развития современных
методов проектирования систем обработки информации. Так, в
диссертационной работе М.В. Виноградовой предложен оригинальный
метод построения саморазвивающейся информационной системы,
основанный на поаспектном расширении ее функциональности;
Н.В. Птицын предложил методы защиты бумажных документов от
копирования и подделок; Ю.Е. Гапанюк разработал методику
конструирования обучающих систем.
К настоящему времени под руководством д.т.н., профессора
В.М. Черненького разработаны теоретические основы процессного
описания функционирования информационных систем, предложен
метаязык
описания
совокупности
последовательно-параллельных
процессов. На основе полученных результатов созданы теоретические
основы построения имитационного процесса, как свертки параллельных
5
процессов функционирования системы в единый квазипараллельный
процесс.
Активно развиваются методы проектирования распределенных баз
данных под руководством д.т.н., профессора Ю.А. Григорьева. Возглавляемой
им группой разработаны научные основы анализа современных механизмов
доступа к распределённым базам данных, новый класс математических
моделей, позволяющих оценивать объёмно-временные характеристики
выполнения сложных запросов к базам данных. С участием профессора
А.Д. Плутенко, доцентов Г.И. Ревункова, И.В. Журавлева, Ю.Г. Нестерова
созданы такие программные продукты, как пакет автоматизации научнотехнических экспериментов (ПАНТЭ), измерители характеристик
производительности системы управления вычислительным процессом
«СИРЕНА» и СУБД «ДИСОД» (изделие СОСНА-ВС), комплекс
инструментальных средств анализа моделей доступа к базам данных
распределённых систем обработки данных (КСАМ). Результаты работ
этого направления использовались при проектировании крупных АСУ.
Совместная научная работа с НИИ «Восход» в области моделирования
информационных систем
Научное направление «Проектирование автоматизированных систем
организационного управления» начало развиваться в «Отраслевой
лаборатории вычислительных систем» под руководством докторов
технических наук Петрова Виктора Яковлевича и Петрова Алексея
Викторовича. Лаборатория была создана в 1972 году по решению ряда
отраслевых министерств для научного взаимодействия с научноисследовательским институтом «Восход» и с тех пор выполняла работы по
моделированию, настройке, измерениям, разработке архитектур многих
заказов, выполнявшихся НИИ «Восходом».
НИИ «Восход» в настоящее время является ведущим предприятием
Мининформсвязи России в сфере информатизации, а также является
головным системным интегратором в области разработки и внедрения
территориально-распределенных
информационно-коммуникационных
систем. Со дня своего создания (1972 год) в интересах народного
хозяйства и обороны страны силами сотрудников НИИ «Восход» был
разработан и внедрен ряд уникальных автоматизированных систем и
проектов, среди которых:

АСУ «Алмаз» — система, ставшая пионером в области
автоматизации войск ПВО страны;

АСУ «Звезда» — система управления Главнокомандующего
Сухопутными войсками;

информационная
система
автоматизации
процессов
делопроизводства общего и экономического отделов ЦК КПСС;
6

АСУ «Глобус» — интегрированная автоматизированная
информационная система Министерства иностранных дел;

специализированная информационная система «Контур»,
предназначенная для сбора экономической информации и управления
народным хозяйством страны,;

Государственная автоматизированная система Российской
Федерации «ГАС «Выборы», и многие другие системы.
Лаборатория ОЛВС кафедры ИУ-5 выполняла работы по
моделированию, настройке, измерениям, разработке архитектур многих
заказов, выполнявшихся НИИ «Восходом». Однако значительная часть
работ лаборатории была выполнена в рамках проектирования комплекса
«Контур».
Комплекс
«Контур»
представлял
собой
территориальнораспределенную
иерархическую
информационно-вычислительную
систему, которая охватывала сотни абонентов, включая союзные
министерства и ведомства, Советы министров союзных республик,
крупнейшие промышленные и оборонные предприятия., крайисполкомы,
облисполкомы, Советы министров автономных республик, крупные
города. Результаты решения задач комплекса «Контур» предназначались
непосредственно для руководства страны. Комплекс «Контур»
предоставлял пользователям информацию:
незамедлительно – о происшедших чрезвычайных ситуациях и мерах
по ликвидации их последствий,
ежесуточно – о состоянии работы народно-хозяйственного
комплексов страны,
еженедельно – оперативную оценку состояния материального
производства народного хозяйства страны,
ежемесячно – о состоянии ключевых отраслей народного хозяйства
страны.
В связи с необходимостью разработки высокоразмерных моделей
производительности информационных систем на кафедре получило
большое развитие научное направление, связанное с исследованием и
организацией обработки информации в сложных системах. В качестве
методов исследования использовалось имитационное и аналитическое
моделирование процессов обработки информации в так называемых
«системах реального времени», в которых поступление заявок на решение
задач носит стохастический характер, а заявки имеют разную «важность» и
разные допустимые сроки решения. Аналитические модели, разработанные
на кафедре, развивали известные модели теории массового обслуживания.
В частности, были получены расчетные соотношения и алгоритмы для
показателей
специальных
приоритетных
систем
обслуживания
(приоритеты с «задержкой прерывания», динамические, чередующиеся
приоритеты и др.), исследовались модели с неординарными входными
7
потоками (групповое поступление заявок), потоками с ограниченным
последействием (потоки Эрланга).
Дальнейшее развитие аналитического и смешанного (аналитикоимитационного) моделирования пошло по пути разработки алгоритмов
расчета
сетевых
моделей
обслуживания,
разработки
методов
представления (формализации) и анализа моделей сложной иерархической
структуры. Разрабатываемые на кафедре методы исследования
реализовывались в виде пакетов прикладных программ, которые были
внедрены на предприятиях оборонного промышленного комплекса,
занимающихся разработкой сложных систем обработки информации.
Научные результаты, полученные преподавателями, аспирантами и
инженерами кафедры, позволили в дальнейшем перейти к решению
следующей задачи — разработке методологии системного проектирования
сложных информационных систем.
Краткое описание результатов исследований в области анализа и
проектирования распределенных систем обработки информации
Пакет автоматизации научно-технических экспериментов (ПАНТЭ)
был разработан в начале 80-х годов. Этот пакет обеспечивал
автоматическое выполнение вычислительных экспериментов на
параметрически настраиваемых программных моделях по различным
планам и позволял строить регрессионные и аппроксимирующие
зависимости по результатам этих экспериментов. Описания настраиваемых
параметров моделей, планы экспериментов хранились в базе данных,
управляемой СУБД «БАНК ОС». Универсальный интерфейс позволял
выполнять эксперименты на самых разных моделях. Получаемые
аппроксимирующие зависимости позволяли выявлять «узкие места»
моделируемых систем. Более того, для моделей информационных систем,
обладающих свойствами внешней и внутренней монотонности, пакет
позволял оценивать погрешность аппроксимации. ПАНТЭ достаточно
долго использовался в учебном процесс для проведения лабораторных
работ по курсу «Моделирование».
За последние пять лет в рамках направления проектирования
распределенных
баз
данных
аспирантами
А.В. Бурдаковым,
Н.А. Гребенниковым, С.П. Остриковым, А.О. Ухаровым подготовлены и
защищены кандидатские диссертации, имеющие важное теоретическое и
практическое значение.
Аспирантом
А.В. Бурдаковым
разработаны
оригинальные
математические методы, инструментальные средства и методики оценки
характеристик производительности вычислительных систем, построенных
на базе брокера объектных запросов и поддерживающих доступ к
объектно-ориентированным СУБД.
8
Аспирантом Н.А. Гребенниковым разработаны методы поиска
оптимального плана выполнения запросов в системах управления базами
данных, позволяющие значительно сократить время обработки сложных
запросов в современных системах обработки информации.
Соискателем С.П. Остриковым разработаны методы анализа и
оценки процессов доступа к базам данных для различных планов
выполнения запросов с многоуровневыми вложенными коррелированными
подзапросами и операциями агрегирования, а также выполнено
моделирование информационных систем с учётом особенностей обработки
запросов к базам данных. Им детально проанализирована система
«Контингент»,
которая
входит
в
состав
интегрированной
автоматизированной системы управления Университетом «Электронный
университет».
Аспирантом А.О. Ухаровым разработаны математические методы и
инструментальные средства для приближенной обработки данных на
основе вейвлет-преобразования, позволяющие существенно сократить
объёмы хранимых данных для последующего анализа.
В ходе взаимодействия с НИИ «Восход» был разработан
программный измеритель характеристик производительности системы
управления вычислительным процессом (СУВП) СИРЕНА и СУБД
ДИСОД, который получил название СОСНА-ВС. Идея измерений
заключалась в том, что в определённые места СУВП СИРЕНА внедрялись
специальные программные закладки. Далее при выполнении СУВП
СИРЕНА активизировалось системное средство трассировки, которое
обеспечивало накопление в трассе информации о системных событиях
(прерывания SVC и I/O, начало ввода/вывода SIO и др.) и о
пользовательских событиях, связанных с выполнением закладок СУВП.
Далее трасса событий обрабатывалась специально разработанным
«интеллектуальным»
распознавателем,
который
воспроизводил
выполнение прикладных программ на уровне обращений к СУВП и команд
СУБД и определял условие поиска и затраченные командами
вычислительные ресурсы: время выполнения команды СУБД, объём
выделенной и освобождённой памяти, процессорное время, число
обращений к различным наборам данных, время обмена с этими данными
и др. Затем распознаватель строил гистограммы для различных
характеристик команд обращений к СУБД. Разработанный измеритель
широко использовался в различных вычислительных центрах,
обслуживаемых НИИ «Восход».
Как развитие предыдущих исследований в 90-х годах совместно с
Амурским государственным университетом был разработан комплекс
инструментальных средств анализа моделей доступа к базам данных
распределённых систем обработки данных (КСАМ), который можно
отнести к классу экспертных систем.
9
Разработка такого комплекса в настоящее весьма актуальна.
Разнообразие аппаратно-программных комплексов, которые можно
использовать при разработке автоматизированных информационных
систем (АИС), привело к появлению различных механизмов (моделей)
доступа к базам данных в рамках архитектуры «клиент-сервер».
Например, возможен доступ к БД по технологиям сервера базы данных,
сервера приложений, Internet/Intranet (интерфейсы CGI и API, доступ из
Java-апплетов и объектов ActiveX) и др. Перед проектировщиком АИС
возникает задача выбора приемлемого варианта. Её решение зависит от
множества факторов: от схемы базы данных, спецификаций
разрабатываемых программ, архитектуры будущей системы (комплекса
технических средств, операционной системы, системы управления базой
данных), от наполнения базы данных и др. Разработчику трудно
интуитивно оценить влияние этих параметров на характеристики
проектируемой системы. Традиционные теоретические методы не
подходят к решению этой задачи.
В процессе разработки КСАМ предложен новый класс
математических моделей, позволяющих оценивать различные объёмновременные характеристики выполнения сложных запросов, которые могут
включать и элементарные условия, и соединения нескольких отношений.
Эти модели учитывают параметры схемы базы данных, а также случайный
характер параметров запросов и наполнения БД. Следует также
подчеркнуть, что предлагаемые модели позволяют рассчитывать не только
характеристики времени выполнения запросов, но и исходные данные для
систем массового обслуживания (СМО), которые часто используются на
практике при анализе сетей передачи данных.
Разработанные модели анализа выступают в роли процедурных
знаний экспертной системы (ЭС) КСАМ, предназначенной для проведения
вычислительных экспериментов с целью анализа временных показателей
проектируемых распределённых систем обработки данных. В качестве
декларативных знаний ЭС используется реестр с результатами тестов,
проведённых
зарубежными
специалистами
по
спецификациям
международной организации Transactional Processing Performance Council
(ТРС) для большого числа аппаратно-программных конфигураций.
В базу данных КСАМ вводятся параметры модели доступа к
проектируемой БД, концептуальной схемы БД, спецификаций
разрабатываемых прикладных программ (на уровне обращений к БД),
архитектуры будущей системы, наполнения базы данных. Важно, что эти
исходные данные понятны проектировщику.
На рисунке 1 представлена реализованная в КСАМ схема
организации связей между компонентами проектируемой распределённой
системы обработки данных (РСОД). Здесь сплошными стрелками
показаны связи типа «обращение к», а пунктирные линии изображают
связи типа «входят, размещаются в». Так запросы (операторы SQL) входят
10
в состав транзакций (2), при выполнении которых операторы SQL
обращаются к таблицам базы данных (1). Описания таблиц базы данных,
запросов и транзакций образуют концептуальный проект (КП) РСОД. При
проектировании стремятся, чтобы концептуальный проект не зависел от
реализации, то есть от архитектуры будущей РСОД (комплекса
технических средств, общесистемных пакетов и др.). После выбора КТС,
ОС, СУБД выполняется распределение таблиц базы данных и транзакций
по узлам распределённой системы (стрелки 3, 4, 5, 6). Таблицы хранятся на
серверах базы данных, а транзакции могут размещаться на рабочих
станциях, серверах приложений, серверах базы данных (триггеры,
хранимые процедуры). Стрелки 7, 8, 9 обозначают обращения транзакций
к таблицам базы данных. Следует отметить, что серверы приложений
могут отсутствовать или располагаться в тех же узлах, что и серверы базы
данных.
Запросы
1
Таблицы базы
данных
Концептуальный
проект
select
update
insert
delete
2
Транзакции
Технический
проект
(архитектура
системы)
5
3
4
Серверы
приложений
Серверы
базы данных
6
7
8
9
Локальные (LAN),
магистральные (MAN),
глобальные (WAN)
сети
Рабочие
станции
Рисунок 1 — Схема организации связей между компонентами РСОД
Информационные технологии семиотики
Современный термин «семиотика» означает «знаковые системы».
Теоретической целью научных исследований и разработок в этом
направлении является формирование методологии (концепции и
теоретических основ) проектирования интеллектуальных семиотических
систем. Практическая цель — создание конкретных образцов
11
информационной техники и технологий для повышения эффективности
коммуникативного взаимодействия людей.
Группой сотрудников и аспирантов кафедры в составе
Ю.Н. Филипповича, Г.А. Черкасовой, В.Л. Шульгина, С.А. Кеселя,
И.П. Толмачева было выполнено нескольких работ по заказам
Министерства обороны СССР, предприятий и НИИ авиакосмической
промышленности. Их основным научным направлением было
исследование и разработка методов создания интеллектуальных
технологий и систем обработки, анализа и отображения сложной
ситуационной информации.
Заказчиком самой крупной работы «Разработка комплекса
программного и математического обеспечения системы отображения
информации коллективного пользования» был Российский НИИ
Космического приборостроения (РНИИ КП). Работа носила характер
НИОКР для ситуационного центра Космических частей Вооруженных Сил
СССР. В ней принимали участие доценты Л.А. Соломонов, А.В. Меньков,
В.В. Чистов, Б.С. Горячкин, асисстент З.В. Позднякова, аспиранты
И.А. Исаев, А.Н. Лобов, А.А. Пардаев, А.Г. Малыгин и др. Основным
практическим результатом работы было создание инструментальной
программной системы Space Map для разработки и ведения сценариев
отображения ситуационной информации при решении задач управления
космическими объектами.
Исследования в области семантического анализа, обработки
изображений и методов проектирования систем, основанных на знаниях,
проведенные Ю.Н. Филипповичем, А.Г. Малыгиным, А.Б. Крыловым,
К.В. Мельниковым привели к созданию Интегрированной оболочки для
создания интеллектуальных технологий и систем — Image Expert, которая
была ориентирована прежде всего на ряд медицинских приложений. На ее
основе были созданы три экспериментальных образца экспертных
медицинских систем в областях кардиохирургии, неонатологии
(диагностики
дыхательной
недостаточности
новорожденных)
и
стоматологии.
Работы по лингвистическому направлению проводились совместно с
отделами
«Исторической
лексикологии
и
лексикографии»,
«Экспериментальной лексикографии» и «Диалектологии» Института
русского языка им. В.В. Виноградова РАН (ИРЯ) по грантам Российского
фонда
фундаментальных
исследований
(РФФИ),
Российского
гуманитарного научного фонда (РГНФ) и др. Основное научное
направление этих работ — разработка методов и систем автоматизации
научных исследований в области прикладной лингвистики.
Наиболее значительные результаты были получены в работах
совместно с Отделом исторической лексикологии и лексикографии ИРЯ по
созданию «Электронной рукописной древнерусской картотеки XIXVII вв.»
— проект ЮНЕСКО «Историческая память России». В ходе совместных
12
работ были переведены на компакт-диски 2,5 миллиона разноформатных
рукописных карточек с выписками из 3,5 тысяч источников (летописей,
рукописных и первопечатных книг) XI-XVII вв. Эта работа потребовала
разработки уникальной информационной технологии сканирования,
обработки изображений, организации хранения и обеспечения
эффективного доступа к данным.
С 1998 года начат выпуск ежегодного сборника статей аспирантов и
студентов «Интеллектуальные технологии и системы» под редакцией
Ю.Н. Филипповича.
Исследования и разработки в области создания систем имитационного
моделирования
Описания функционирования АСУ выполнялись, как правило, в
нотации теории массового обслуживания (ТМО). Модели систем и сетей
массового обслуживания лежали в основе аналитических моделей оценки
показателей производительности АСУ. Однако скоро выяснилось, что
возможности получения аналитических результатов по многим моделям
существенно
ограничены
из-за
необходимости
использования
аналитически разрешимых законов распределения потоков, времен
обслуживания, типов блокировок. Поэтому было принято решение о
разработке концепции и программной реализации системы имитационного
моделирования, опирающейся на представления ТМО, но лишенной
вышеуказанных ограничений. Такая система была создана для реализации
на ЭВМ БЭСМ-6 группой в составе В.М. Черненького, Б.С. Федорова,
В.И. Лисина. Язык и транслятор были названы СТАМ (СТАтистическое
Моделирование).
Система моделирования СТАМ основана на агрегативной
концепции, когда каждый структурный элемент описания представляет
собой некоторую замкнутую процедуру, имеющую унифицированную
совокупность входных и выходных параметров. Эта процедура в системе
СТАМ называется блок. Схема построения блока проведена на рисунке 2.
13
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
БЛОК
от
УМА
параметры блока
на
вход
Hвх
Sвх
от УМА
Ht
St
от УМА
Hвых
выход
УМА
Sвых
от УМА
Рисунок 2 — Схема построения блока в системе СТАМ
Блок представляет собой агрегат, реализующий унифицированный
достаточно простой процесс обработки сообщений. Сообщения поступают
на вход блока и покидают его через параметр «выход». В общем случае
блок реализует некоторую систему массового обслуживания (СМО). Блок
включает три оператора:
Hвх — описывает реакцию блока на поступление сообщения на
«вход»;
Ht — реализует функцию задержки сообщения, поступившего в
блок, на некоторое время, задаваемое с помощью параметров блока;
Hвых — описывает реакцию блока на считывание сообщения из
параметра «выход» блока.
Основные типы блоков:

генераторы сообщений;

буферные накопители, сохраняющие сообщения в виде
параметров;

обслуживающие
аппараты,
выполняющие
задержку
сообщений;

обработчики локальных сред сообщений.
В рамках каждого типа существует многообразие разновидностей
блоков, отличающихся параметрами и модификацией алгоритмов.
Алгоритмы блоков собраны в библиотеку блоков. Очевидно, что такая
архитектура блока позволяет описать широкий класс СМО.
Поскольку функционирование АСУ описывается сетью СМО, то в
системе СТАМ такая сеть задается в виде графа, причем каждая дуга этого
графа может быть взвешена произвольным логическим условием ее
существования. Это позволяет делать конфигурацию сети адаптивной к
14
внешним условиям. Связь между блоками задается указанием начального
(BН) и конечного (ВК) блоков. Структура сети описывается
перечислением всех связей. Для каждой связи может быть задано
логическое условие U, определяющее возможность продвижения
сообщения по этой связи. Продвижение сообщения происходит, если
логическая функция ((ВЫХОД_блока_ВН  пусто)  (ВХОД_блока_ВК =
пусто)  U) принимает значение «истина». Если условие U не задано, то
предполагается по умолчанию, что оно тождественно «истинно».
Пользователь выбирает из библиотеки нужные ему блоки и задает
каждому блоку фактические параметры. Затем он описывает граф сети
путем перечисления всех связей и условий. Сами условия задаются в
отдельном разделе.
Управление процессом имитации производит Управляющий
Моделирующий Алгоритм (УМА). Он просматривает описание сети
блоков, производит вычисление условий связей, выполняет перемещение
сообщений по сети и запускает соответствующие операторы блоков. Так,
если УМА помещает сообщение на вход блока, то тут же передает
управление на оператор Hвх этого блока (сигнал Sвх). Если блок
предварительно заказал момент времени обращения к себе, то УМА в
заказанный момент модельного времени передает управление оператору
Ht (сигнал St).
Система моделирования СТАМ позволила существенно сократить
время на разработку сложных имитационных моделей и получить
уникальные результаты по оценке характеристик производительности
АСУ сложной структуры.
Опыт дальнейшей эксплуатации системы СТАМ показал, что
проектировщики заинтересованы в дальнейшем росте размерности
разрешимых моделей, в особенности для анализа распределенных
информационных систем и АСУ. В связи с этими требованиями была
разработана новая система моделирования СТАМ-КЛАСС.
Разработчиками системы СТАМ-КЛАСС были В.М. Черненький,
С.А. Большаков, С.В. Горшков, С.Б. Спиридонов. В основу системы были
положены те же представления блоков, что и в системе СТАМ, однако
значительно усилены механизмы описания структуры модели в целом.
В системе СТАМ-КЛАСС типовым фрагментом регулярной
структуры являются два множества блоков, связь между которыми
задается отдельной матрицей связности (рисунок 3). Каждое из множеств
блоков в регулярной структуре называется классом. Класс А на рисунке 3
называется исходящим, класс В — входящим. Класс называется
однородным, если состоит из блоков одного типа. В противном случае —
класс неоднороден.
Однородный класс, включающий однотипные блоки, реализован в
виде одной программы, описанной через формальные параметры. Каждый
блок в этом классе реализуется, как динамический экземпляр описания
15
класса. В системе СТАМ-КЛАСС такое образование называется
групповым блоком. Задание локальных сред всех блоков класса
производится при описании группового блока.
КЛАСС А
МАТРИЦА
СВЯЗНОСТИ
КЛАСС В
Рисунок 3 — Матрица связности между классами
В
системе
СТАМ-КЛАСС
существует
двухступенчатая
последовательность задания структуры сети, включающая следующие
шаги:

определение совокупности классов;

задание связей между классами;

определение состава каждого класса;

задание матриц связности между классами.
В результате выполнения первых двух шагов формируется граф,
называемый мультиструктурой. Вершинами такого графа являются
классы, дуги — однонаправлены и называются мультисвязями. Каких-либо
ограничений на связность графа не накладывается, в частности, допустимы
циклы. Мультиструктура не может быть динамически изменена и
определяет класс возможных конфигураций, допускаемых данной
моделью.
Третий шаг выполняется при описании каждого класса путем
перечисления блоков, в том числе и групповых, и задания всех
управляемых параметров блоков.
На четвертом шаге каждая мультисвязь раскрывается путем задания
матрицы связности размерностью (nm), где n — количество блоков в
исходящем классе, m — количество блоков во входящем классе.
16
Для каждой мультисвязи и каждой связи в матрице связности
возможно задание логического условия, определяющего существование
данной связи в данной конкретной ситуации.
Третий и четвертый шаги, а также условия на связи могут быть
изменены в ходе выполнения модели, что обеспечивает широкие
возможности динамической реконфигурации сети.
Таким образом, главной особенностью системы СТАМ-КЛАСС
является увеличение размерности моделей, возможность создавать
обобщенные имитационные модели, описывающие широкую совокупность
структур, в отличие от существовавших аналогичных языков, которые
позволяли моделировать сети лишь конкретной конфигурации.
Система моделирования СТАМ-КЛАСС широко использовалась при
создании моделей производительности распределенных информационных
систем по заказам НИИ «Восход», а также при моделировании
распределенной системы управления газопроводом Уренгой-ПоморыУжгород по заказу НИИ «Союзгазоавтоматика».
Конец 80-х годов на кафедре ознаменовался развитием нового
научного направления — автоматизации банковских технологий.
Используя
методы
исследования
и
проектирования
сложных
информационных систем, разработанные модели и пакеты программ, а
также опыт, полученный в результате научных связей с зарубежными
техническими университетами (в частности, с Де-Монтфорским
техническим университетом в г. Лестер, Великобритания), кафедра
выполнила ряд успешных разработок для создаваемых в эти годы
коммерческих банков страны, в том числе автоматизированные банковские
системы «Кредит -1», «Кредит-2», «Минибанк».
Теоретические основы описания последовательно-параллельных
процессов
Работы по созданию систем моделирования, анализ их приложений
позволили приступить к разработке теоретических основ описания
последовательно-параллельных процессов. Эти работы легли в основу
докторской диссертации В.М. Черненького.
Базовым понятием при построении формализованной схемы
описания функционирования АСУ является понятие процесса. Было
выполнено исследование таких операций над процессами, как свертка,
развертка, проецирование, объединение, доказан ряд теорем и свойств
указанных операций. Предложен новый способ задания процесса,
названный алгоритмической моделью процесса (АМП), включающий
такие понятия, как элементарный оператор, трек операторов и инициатор.
Дальнейшие исследования описания процессов на основе АМП позволили
строго определить понятия структуры, локальных сред, обобщенных и
объединенных операторов, блоков, выполнить их классификацию,
17
определить понятие ресурса, конфликтов на ресурсах, предложить способы
их разрешения, сформировать вложенные описания. В результате была
получена теоретическая модель описания системы взаимосвязанных
процессов в АСУ, обобщающая и с единых позиций представляющая
агрегативные, процессные, агрегативно-процессные, потоковые схемы
описаний.
Как развитие полученных результатов, предложен Псевдоязык
Описания Сцепленных Процессов (ПОСП). По сути ПОСП является
метаязыком для описания различных концепций моделирования. В ходе
конструирования операторов псевдоязыка основное внимание было
обращено на реализацию взаимодействия процессов. Поэтому
вычислительные операции ограничиваются операторами присваивания и
условным, в то время как операции над инициаторами включают
операторы активизации и пассивирования, условной и безусловной
передачи, задержки на заданное время либо до выполнения указанного
логического условия, создания и уничтожения объектов. ПОСП
предполагает введение и использование макрооператоров. Будучи
метаязыком, ПОСП позволяет описать функционирование АСУ,
представленное в виде агрегативной, процессной, смешанной либо
потоковой
схем,
отобразить
это
описание
на
гибридный
декомпозиционный метод вложенных процессов или на программную
имитационную модель. Кроме того, ПОСП может служить
инструментальной моделью при создании новых языков моделирования. С
помощью операторов ПОСП могут быть описаны концепции и реализация
других языков моделирования: GPSS. SOL, SIMSKRIPT, САМ и др.
Поскольку построение имитационной модели АСУ выполняется на
основе описания процессов функционирования, то разработанная
теоретическая модель описания параллельных процессов позволила
выполнить исследование в области методов построения имитационных
моделей.
Имитационный
процесс
рассматривается,
как
один
последовательный вычислительный процесс, на который отображается
система параллельных взаимосвязанных процессов. Таким образом,
имитационный процесс следует рассматривать как квазипараллельный
процесс. Алгоритмическая модель процесса оказалась конструктивным
понятием и в области имитации, позволив получить универсальную
системную модель имитационного процесса, сформировать структуры
моделирующих алгоритмов. Был доказан ряд теорем и утверждений о
формировании модельного времени, построении классов одновременных
событий, способах их генерации. В результате сформулированы основные
принципы построения имитационных алгоритмов, позволяющие создавать
в зависимости от конкретных постановок имитационного эксперимента
моделирующие программы с заданными эксплуатационными свойствами.
18
Исследование и разработка интегрированной автоматизированной
системы управления Университетом «Электронный университет»
В МГТУ им. Н.Э. Баумана в течение многих прошедших лет
проводились работы по внедрению информационных систем различного
уровня для автоматизации функций управления. В результате были
разработаны отдельные функциональные подсистемы, такие как
информационные системы деканатов, кафедр, приемной комиссии,
аспирантуры, бухгалтерии, отдела кадров, библиотеки, поликлиники и
другие. Эксплуатация этих информационных систем показала, с одной
стороны, значительный эффект от внедрения информационных систем, с
другой
стороны,
необходимость
тесного
информационного
взаимодействия между ними и создания на их основе единого
информационно-технологического комплекса.
Для создания такого комплекса в МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2004
году были начаты работы по программе «Электронный университет» на
базе методического и кадрового обеспечения кафедры ИУ-5. Было
определено, что одним из важнейших этапов этой программы является
создание
информационной
системы
поддержки
управления
Университетом. Основными задачами, возлагаемыми на эту часть
программы, являлись:
 регламентация деятельности подразделений Университета;
 автоматизация бизнес-процессов или их элементов для всех
основных подразделений Университета;
 создание средств, обеспечивающих взаимодействие разнородных
информационных массивов и фондов;
 формирование системной информационной среды для отражения
деятельности Университета и поддержки принятия решений по
управлению Университетом.
Для реализации программы в Университете под руководством д.т.н.,
профессора В.М. Черненького была создана рабочая группа., из
специалистов в области проектирования и эксплуатации информационных
систем в составе докторов технических наук Ю.А. Григорьева,
А.В. Балдина, кандидатов технических наук С.П. Острикова, И.П. Иванова,
В.М. Ховова, Л.И. Колобаева. Группа проанализировала опыт создания
распределенных систем управления, современные технические и
технологические возможности, функциональные задачи подразделений
Университета
и
предложила
свою
концепцию
построения
информационной системы для целей управления Университетом.
Суть концепции состоит в следующем:
 вся совокупности задач разбивается на подмножества, а каждое
подмножество реализуется в виде функциональной подсистемы, причем
каждая подсистема должна быть в максимальной степени информационно
замкнута;
19
 функциональная подсистема опирается на реализацию семейства
бизнес-процессов;
 функциональная подсистема имеет свою базу данных;
 для решения задач взаимодействия баз данных, выполнения
типовых
функций
функциональных
подсистем
применяются
специализированные технологические приемы;
 средства взаимодействия баз данных объединяются в отдельный
комплекс заданной архитектуры.
Это — основные положения, полный перечень их довольно длинен,
но для понимания принципов построения концепции достаточно этих пяти.
Функциональные подсистемы, как правило, связаны между собой по
данным, которыми они обмениваются. Схематично это показано на
рисунке 4.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ
КОМПЛЕКС
ФПС 4
ФПС 6
ФПС 2
ФПС 7
ФПС 1
ФПС 3
ФПС 5
ИНФРАСТРУКТУРНЫЙ КОМПЛЕКС
Рисунок 4 — Схема обмена данными между подсистемами Университета
Более подробно взаимодействие двух подсистем показано на
рисунке 5. Сервер приложений и хранящиеся на нем так называемые
сервисы (их можно назвать адаптерами) обеспечивают информационное
взаимодействие между подсистемами. Поскольку сервис по просьбе
«просителя» программирует сам «хозяин» своей базы данных, то это
гарантирует защищенность этой базы и одновременно с этим возлагает на
«хозяина» полную ответственность за содержимое базы (уже нельзя
сказать, что кто-то при поиске данных что-либо изменил в базе).
20
СЕРВЕР
ПРИЛОЖЕНИЙ
СЕРВИС 1
ПРОСИТЕЛЬ
ХОЗЯИН
СЕРВИС 2
...
...
...
СЕРВИС АВ
АДАПТЕР
ФПС А
ФПС В
ФОРМАТ
XML
Рисунок 5 — Организация взаимодействия двух подсистем
Когда серверы приложений объединяются вместе с их сервисами для
всей совокупности функциональных подсистем, то получается
своеобразная среда обмена, которая была названа «инфраструктурный
комплекс». Этот комплекс строится по некоторым унифицированным
правилам. Таким образом, вся исходная система задач и постановок
представлена в виде двух комплексов: функционального и
инфраструктурного. На рисунке 6 показан инфраструктурный комплекс и
его интерфейс с функциональным комплексом (в виде звездочек).
ИНФРАСТРУКТУРНЫЙ
КОМПЛЕКС
СЕРВЕР
ЗАЩИТЫ И
ДОСТУПА
ПОТОК ЗАПРОСОВ ОТ ФПС «ПРОСИТЕЛЕЙ»
СЕРВИС 11
СЕРВИС 12
...
ФОРМАТ
XML
Е
СЕРВИС 21
СЕРВИС 22
...
ФОРМАТ
XML
СЕРВИС 31
СЕРВИС 32
...
ФОРМАТ
XML
БАЗЫ ДАННЫХ ФПС «ХОЗЯЕВ»
БАЗЫ ДАННЫХ ФПС «ПРОСИТЕЛЕЙ»
Рисунок 6 — Схема инфраструктурного комплекса
21
Предложенный подход имеет следующие преимущества:
 Полная независимость аппаратных и программных платформ, на
которых реализованы подсистемы. Это позволяет выбрать те пакеты,
которые лучше всего подходят для решения задач данной подсистемы.
 Решается проблема размерности, упрощаются транзакции,
сокращаются сроки реализации.
 Практически
полная
автономность
разработки
каждой
подсистемы. Подсистема может разрабатываться без оглядки на темпы
реализации связанных с ней подсистем. Главное — обеспечить решение
своих задач, а взаимосвязи можно реализовать по окончании разработки
силами специалистов инфраструктурного комплекса.
На основе перечисленных концепций построена автоматизированная
система управления «Электронный университет», которая рассматривается
как система управления всеми видами деятельности высшего учебного
заведения: учебной, научной, методической, финансово-экономической,
хозяйственной, обеспечивающей и др.
Архитектура системы «Электронный университет», позволяющая
создать единую информационную среду высшего учебного заведения,
приведена на рисунке 7. Здесь указаны не все функциональные
подсистемы, однако представлен принцип их взаимодействия: будучи
автономными, они как бы «воткнуты» в инфраструктурный комплекс,
позволяющий производить необходимое информационное взаимодействие.
Database
Database
ФПС
УСПЕВАЕМОСТЬ
Database
Database
Database
ФПС
СЕССИЯ
ФПС
УЧЕБНЫЕ
ПЛАНЫ
Database
ФПС
КОНТИНГЕНТ
ФПС
ДОСЬЕ
ФПС
УМКД
ИНФРАСТРУКТУРНЫЙ КОМПЛЕКС
Рисунок 7 — Архитектура системы «Электронный университет»
22
Разработка
проекта
«Электронный
университет» является
практическим
вкладом
кафедры
ИУ-5
в
развитие
единого
информационного пространства в сфере управления учебным процессом
высшего учебного заведения.
23