Научно-исследовательская работа на кафедре сапр спбгэту «лэти»

Замечание. Сама по себе мысль о том, что проблему нужно решать в динамике, разумеется, не нова. Человечество уже более двух тысяч лет знает, что «всё течёт и всё изменяется». Важно и ново другое – междисциплинарные знания (полученные благодаря информатике и синергетике) позволяют задать вопрос: «Как течёт и как изменяется?». Ответ на этот вопрос часто оказывается решением проблемы. В результате появляется надежда построить информационную модель мира в целом, причём, не вербальную, а на языке точных наук.
Особо следует подчеркнуть, что все базовые науки являются как бы взаимопроникающими, и практически любую проблему человечества, как это доказывает опыт социума, можно пытаться (правда, не всегда успешно!) решать с позиций любой из таких наук. Именно такая взаимная проницаемость (конвергенция) служит доводом в пользу того, что глобальную проблему нельзя решить с помощью только одной науки (или нескольких наук). Нужны согласованные совместные усилия, или, как теперь принято говорить, «синергетические» усилия всех базовых наук.
3. Формирование знаниевого ресурса и доступ к нему
Интенсивно развиваются технологические системы подготовки знаний, называемые когнитивными. Их прямым назначением является извлечение экспертных знаний с помощью специальных психологических, лингвистических и программных средств. Когнитивные системы рассчитаны на новые информационные технологии – технологии так называемых «мягких форм» [1], [5], [11], [6], [9], [16], [10]], которые учитывают принципиально плохую структурированность знаний в реальных предметных областях.
Переход от традиционных технологий для жестко структурированных сред к «мягким формам» базируется на новых технологических принципах, к числу которых относятся:

• 
  отказ от готовых оболочек;
  
• 
  установка на автоматическое или полуавтоматическое извлечение знаний с обучением;
  
• 
  интегрирование знаний и интегрирование когнитивных процедур;
  
• 
  интегрирование различных форм и источников знаний;
  
• 
  интегрирование процесса извлечения знаний с самим процессом функционирования системы для обеспечения накопления знаний;
  
• 
  интегрирование методов представления знаний в когнитивных и в экспертных системах.
  

Одним из системообразующих решений, которое ориентировано на интеграцию в рамках единой корпоративной информационной среды различных проблемно-ориентированных информационных систем, сервисов и информационных ресурсов (БД и т. д.) с организацией консолидированной точки доступа к ним пользователей различных категорий с учетом их полномочий и решения задач информационной безопасности в числе Интернет/Интранет-решений является информационный портал. «Информационный портал» как одно из базовых Интернет-решений появилось и развивается в последние несколько лет. Информационный портал становится массовым информационно-программным продуктом как в глобальном Интернет-пространстве, так и в корпоративных информационных средах [2], [8], [17], [18], [10], [12].
Информационный портал, как субъект Интернет/Интранет-пространства, – это Web-сайт, который:

• 
  организован в виде системного многоуровневого объединения различных информационных ресурсов и сервисов;
  
• 
  ориентирован на определенную целевую группу пользователей (по тематике, функциям, сервисным службам и т. д.);
  
• 
  является «отправной точкой» в Интернет/Интранет-пространство своей целевой группы и играет роль навигационной системы.
  

В Интернете, термин «портал» первоначально использовался для называния таких информационных ресурсов и служб как Excite, Yahoo, MSN, Netscape Netcenter, Rambler, Яндекс, обеспечивающих пользователям «централизованный вход» и специальные средства для удобной навигации и поиска информации в сети. К настоящему времени многообразие информационных порталов можно разбить на следующие подклассы однотипных: горизонтальные (или потребительские), вертикальные (или профильные), торговые, корпоративные и т. д.
Многие информационные порталы трудно строго отнести к одному определенному подклассу. Так портал учреждений науки и образования далеко не всегда возможно строго, отнести к одному из указанных типов порталов: наборы страниц отдельного структурного подразделения университета могут прорабатывать строгую вертикаль по определенной тематике, при этом горизонтальная специфика порталов проявится благодаря наличию большого количества подразделений, публикующих свои ресурсы в портале; одновременно, сотрудники подразделений могут осуществлять обмен результатами работы, производить интерактивное обсуждение задач, что привносит ресурсу элементы корпоративного портала.
В качестве одного из основных конкурентных преимуществ создания системы порталов как среды доступа к информационным ресурсам являются: способность интеграции и агрегации большого объема неоднородных данных; наличие развитых механизмов поиска, средств персонификации содержимого портала для определенного пользователя и систем кастомизации.
4. Возникновение и развитие в СПбГЭТУ научного направления в области систем автоматизированного проектирования
Истоки современного состояния научных исследований кафедры САПР были заложены научной школой заслуженного деятеля науки и техники профессора В. И. Анисимова, создавшего в 1973 г. кафедру Электронных и магнитных цепей (ЭМЦ). Эта кафедра в 1984 г., в связи с открытием в СССР инженерной специальности «Системы автоматизированного проектирования», была переименована в кафедру САПР.
В конце 1960-х гг. профессором В. И. Анисимовым была создана алгоритмическая база для реализации устройств различного класса и назначения, разработаны новые методы их математического описания, отличительной особенностью которых явилась инвариантность к способам задания параметров компонентов. В монографиях «Топологический расчёт электронных схем», «Операционные усилители с непосредственной связью каскадов» и других был изложен ряд основополагающих результатов, связанных с алгоритмами матричного и топологического анализа электронных структур, методы формализации вычисления их динамических и статических характеристик. Введённый новый метод топологического описания новых систем на основе обобщённого сигнального графа получил широкое признание и распространение в инженерной практике, положен в основу алгоритмического обеспечения ряда пакетов автоматизированного проектирования электронных схем.
В 1970-1980-ые гг. научная деятельность кафедры охватывает широкий круг проблем по созданию теоретического, программного, информационного и организационно-методического обеспечений САПР радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры (РЭА и ЭВА). Впервые была сформулирована, обоснована и реализована концепция автоматизации схемотехнического проектирования в гибком координатном базисе. На её основе разработаны ряд новых методов, моделей и алгоритмов, предложены оригинальное математическое и программное обеспечения проектирующих подсистем анализа схемотехнических решений, отличающихся алгоритмической надёжностью и возможностью реализации целостного процесса автоматизированного проектирования (АП) РЭС в условиях лимитированных вычислительных ресурсов. Развиты диакоптические подходы к анализу схем, получено оригинальное алгоритмическое решение по увеличению быстродействия подсистем, а также предельного размера проектируемых схем (с учётом различной скорости сходимости отдельных подпроцессов и статуса латентности подсхем). Разработаны комбинаторные алгоритмы декомпозиции и упорядочения схемных уравнений, что позволило вскрыть дополнительные резервы повышения эффективности анализа за счёт использования свойства ненасыщенности схемных матриц. Обоснованы методы, модели и алгоритмы иерархического описания и анализа РЭС, предложена концепция объектной и проблемной ориентации АП.
В итоге проведённых научных исследований, разработано целое семейство диалоговых систем автоматизации проектирования. Они внедрены более чем в ста организациях восьми отраслей промышленности. В разработках принимали участие профессор В. И. Анисимов, профессор Г. Д. Дмитревич, доцент А. И. Ларистов, доцент С. Н. Ежов, доцент Н. К. Перков, доцент А. В. Никитин, доцент К. Б. Скобельцын, ст. преподаватель Л. Н. Новожилова, доцент В. А. Максимович, доцент П. Д. Батаковский.
В 1980-х гг. основные усилия разработчиков САПР сложных объектов были направлены на совершенствование методов и алгоритмов их проектирования, в то время, как самому инструментарию уделялось непропорционально малое их значимости внимание.
Выполненные на кафедре исследования показали, что большинство отечественных систем обеспечивают диалоговый режим лишь на уровне ввода и корректировки исходных данных для автономных проектных процедур. Многокритериальность и принципиальная внутренняя противоречивость проектных задач требуют неформального участия инженера на всех этапах целостного проектирования, включая этап диалогового проектирования решаемой задачи. Потребности дальнейшего развития САПР выдвинули задачу разработки диалогового общесистемного программного обеспечения в виде ядра САПР, представляющего развитые инструментальные диалоговые средства всем группам пользователей САПР: инженерам-проектировщикам, администраторам и системным программистам.
В 2008 г. совместно с Центром информационных технологий в проектировании РАН на базе кафедры САПР был создан учебно-научный центр «Информационные технологии инжиниринга». Основными направлениями исследований этого центра являются: разработка методов моделирования сложных систем на основе технологий диакоптики, разработка новых компактных методов хранения и обработки данных, построение платформенно-независимых САПР на основе объектно-ориентированного программирования, исследование методов внедрения в системы моделирования Интернет-технологий, разработка на основе принципов квантовой информатики компьютерных инструментов моделирования в составе САПР, ориентированных на развитие и применение нанотехнологий, исследование возможностей p-адической машинной арифметики для приложения сред виртуальных инструментов (VI-сред), разработки совокупности понятийных, теоретических и инструментальных сред, поддерживающих онтологический инжиниринг/реинжиниринг.
Совместно с рядом предприятий аналитического и навигационного приборостроения, кафедрой САПР разработана технологическая платформа (ТП) «Компьютерные технологии инжиниринга» (КТИ), ориентированная на обеспечение территориально разнесённых участников инструментами исследовательского проектирования, разработки, изготовления и сопровождения наукоёмкой продукции. Главная цель ТП КТИ – гармонизация инновационных процессов в инженерии на базе активных информационных ресурсов, обеспечение лидерства в сфере автоматизированного инжиниринга.
Для формирования единого информационно-функционального пространства среды проектирования, разработана концепция комплементарного проектирования высокотехнологичных изделий, парадигма масштабной виртуализации, обобщающая классические механизмы формирования способностей систем автоматизированного исследовательского проектирования (САИПР) к адаптивной актуализации проектных процедур. Полученные результаты изложены в монографиях: «Комплементарное моделирование в средах САПР: Виртуализация квантовых объектов информации» (Техномедиа, 2007), «Основания технологии комплементарного проектирования наукоёмких изделий» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010), «Сложно-функциональные блоки смешанных систем на кристалле: Автоматизация функционального проектирования» (Элмор, 2012) и «Парадигма виртуальности в автоматизированном исследовательском проектировании высокотехнологичных изделий электроники и средств аналитического приборостроения» (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013).
Значительный вклад в развитие веб-ориентированных технологий автоматизированного инжиниринга в последние годы внесли профессор В. И. Анисимов, профессор Р. И. Сольницев, профессор И. В. Герасимов, профессор Г. Д. Дмитревич, профессор Ю. Т. Лячек, доцент А. В. Никитин, доцент А. В. Горячев, доцент Н. Е. Новакова, доцент А. И. Ларистов, доцент В. А. Калмычков, доцент И. В. Матвеева, ст. преподаватель Л. Н. Лозовой, ст. преподаватель С. А. Кузьмин, доцент К. Г. Жуков, ассистент Д. Н. Бутусов и др., а также сотрудники филиала кафедры САПР (организованного в 2009 г. на базе ЦИТП РАН) профессор В. Н. Гридин, доцент В. И. Солодовников, ст. преподаватель О. Б. Тарасова.
Основные научные результаты, полученные за последние пять лет, можно сформулировать следующим образом [19], [14], [15], [17], [20], [9], [16], [21].

• 
  переориентация автоматизированного инжиниринга на новые принципы и подходы в плане определения базовой основы и философии проектирования высокотехнологичных изделий;
  
• 
  развитие на основе парадигмы конвергентного проектирования общей методологии процесса создания наукоёмких изделий – учения о структуре, логической организации, методах и средствах поиска и принятия решений в отношении принципа действия и состава ещё не существующего технического объекта, наилучшим образом удовлетворяющего определённые потребности когнитивной экономики;
  
• 
  формирование принципиально новой идеологии программирования задач цифровой обработки сигналов и изображений в рамках распределённых сред, архитектура которых использует волновое перемещение информации по однородному процессорному полю;
  
• 
  введение в проектную деятельность концепции масштабной виртуализации как особого стиля компьютерного моделирования, предполагающего метасистемные переходы из семиотического пространства вычислительной машины одного уровня в пространство метамашины другого уровня с привлечением идей искусственного интеллекта;
  
• 
  построение моделей проблемно-ориентированного знания в системах автоматизации совместной проектной деятельности с позиций современного дискурса через категории «средства», «инструменты», «технологии», «компетенции» и прочие в направлении создания интеллектуальной среды, обеспечивающей количественное объединение человеческого ресурса при качественном его многообразии;
  
• 
  создание теоретического базиса и соответствующего инструментария для проекта замкнутой системы управления «Природа-Техногеника», снижающей риски по экологической безопасности населения посредством исключения «человеческого фактора» в существующих системах мониторинга окружающей среды;
  
• 
  обоснование и теоретическая проработка процессов функционально-физического анализа качества проектных решений в области аналитического приборостроения.
  

В рамках инновационного образовательного проекта СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 2007-2008 гг., на кафедре создан авторизованный учебно-научный центр корпорации «National Instruments». В его составе работают учебно-научные лаборатории (УНЛ): исследований в области прототипического проектирования (ПП), сертификации продукции, схемотехнического проектирования, информационных технологий инжиниринга [14], [15], [20], [18], [21].
Благодаря внедрению VI-технологии, создаются обоснованные реалистичные модели знаний о структурах и механизмах функционирования систем на волновых и квантовых эффектах. Методология проектирования выходит на новый уровень интеграции научной и производственной деятельности. Под руководством и при непосредственном участии Л.Н. Лозового разработан и внедрён в производство широкий спектр средств аналитического приборостроения, частично нашедший отражение в ряде последних монографий кафедры и научно-практических статей. Большинство способов и технических решений защищено авторскими свидетельствами и патентами.
Движение в направлении обеспечения безопасности жизнедеятельности и реализации концепции долгосрочного социально-экономического развития Российской Федерации на период до 2020 г. («Концепция-2020») требует постоянного совершенствования качества разработок в области техники и технологий, формирующих, в конечном счёте, среду обитания человека, его информационно-образовательное пространство. Такой процесс постоянен. И его носителями являются рядовые научно-педагогические работники, преданные своему делу, а потому работающие не только на день текущий, но и на перспективу.
5. Типология проблем автоматизированного инжиниринга (АИ)
5.1. Шестой технологический уклад
Безопасность, в широком смысле, означает учёт, организацию противодействия и устранения угроз, могущих нарушить существование и устойчивое позитивное развитие Российской Федерации (РФ) [7], [5], [6], [8], [9], [10], [12]. Одной из важнейших угроз является низкий уровень производительности труда в РФ. По данным «Business Week x Pressa» (14.05.2009 г.) он составляет только 17 % от уровня производительности труда в США. При этом, в машиностроении он оценивается не более чем в 6 % от американского. Понятно, что при таких показателях производительности труда серьёзно говорить о конкурентоспособности страны, о росте привлекательности экономики для инвестиций не представляется возможным. Очень важным также представляется тот факт, что за период после развала СССР в 1991 г. обозначился глубокий разрыв поколений между специалистами, работавшими в высокотехнологичных областях ещё советской промышленности, и молодыми выпускниками, приходящими на производство, в науку и высшую школу в настоящее время. Нам угрожает потеря целых школ исследований, разработок и производства в ракетно-космической, атомной, авиастроительной, судостроительной и других высокотехнологичных отраслях, а также в академической и вузовской науке и высшем техническом образовании. Другими словами, налицо острый дефицит квалифицированных специалистов, владеющих современными методологиями научных и инженерных исследований, методами и инструментами опытно-конструкторских разработок, технологиями организации современных производственных процессов [4], [5], [6], [8].
Основополагающий вклад в развитие эволюционной экономики внёс выдающийся русский экономист Н. Д. Кондратьев, связавший волны экономической конъюнктуры («волны Кондратьева») с технологическими укладами (рис. 3).