Научные достижения кафедры «Информатика и вычислительная техника» за 30 лет

НАУЧНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ КАфЕДРЫ «ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА» ЗА 30 ЛЕТ_

ПОТАПОВ Виктор Ильич, доктор техниченских наук, профессор, заведующий кафедрой «Информатика и вычислительная техника».

В 1972 году впервые в Омске автор статьи организовал кафедру «Электронные вычислительные машины» а Омском политехническом институте, преобразованную в 1993 году в кафедру «Информатики и вычислительной техники». С этого момента в нашем городе началась профессиональная подготовка инженеров-системотехников по вычислительной технике, сетям ЭВМ и программному обеспечению микропроцессорных вычислительных комп1 пексов. По инициативе кафедры ЭВМ в 1975 году был организован обще институтский вычислительный центр, в 1978 году - отраслевая научно-исследовательская лаборатория «Автоматизация проектирования АСУ», а в 1990 году эвюр статьи создал и возглавил по решению администрации Омской области научный центр «Информатика» для разработки региональной программы информатизации Омской области и являлся научным руководителем этой программы, в рамках которой разработана концепция информатизации Омской области

8 период с 1978 по 1985 год заведующий кафедрой ЭВМ-автор статьи, работая проректором по научной работе Омского политехнического института, совместно с научным активом разработал и внедрил в институте систему учебно-научно-производственных комплексов и на ее основе создал эффективную систему организации и управления научными разработками, позволившую институту в 1981-1984 годах входить в число ведущих вузов России в области научной деятельности. Разработанная система управления в 1982 году была удостоена серебряной меда-пи ВДНХ, а в 19ЭЗ году признана Минвузом РСФСР лучшей в Российской Федерации и отмечена Дипломом первой степени.

В течение многих лет научно-исследовательские работы, проводимые на кафедре ЭВМ, выполнялись по научно-техническим программам ГКНТ CCCR программам Минвуза СССР и РСФСР и по отраслевым программам, а в настоящее время - по программам фундаментальных исследований. От их внедрения был получен суммарный экономический эффект, превышающий 5,5 миллиона рублей (в иенах 1990 года).

Профессорско-преподавательским составом и научны- ,; «и сотрудниками кафедры Э8М-ИВТ был решен ряд важных научных и инженерных проблем, имеющих большое практическое и теоретическое значение, наиболее крупные из которых следующие.

Созданы основы схемотехники, контроля и диагностики многофункциональных элементов с кодовой перестройкой логики в пороговом базисе на полупроводниковых токовых переключателях, на принципе распределения тока и Разработаны основы схемотехники логических и запоминающих структур с перестройкой логики на базе цилиндрических магнитных доменов, нашедших применение в специализированных вычислительных устройствах специального назначения. Разработки по этому направлению защищены 32 авторскими свидетельствами. По данной проблеме опубликовано большое число статей в центральных

журналах и издана монография «Схемотехника и контроль элементов пороговой логики л.

Разработаны теоретические основы и новые практические методы таблично-алгоритмических вычислений функций в Э8М, на базе которых создано и внедрена большое число оригинальных вычислительных алгоритмов и специализированных цифровых вычислительных структур для воспроизведения широкого класса функций По результатам научных исследований в данном направлении опубликована монография «Таблично-алгоритмические функции в ЭВМ», а новые технические решения в рамках этого направления защищены 14 авторскими свидетельствами.

Созданы новые эффективные программно-имитационные комплексы моделирования вычислительных структур и вычислительных процессов для автоматизации проектирования АСУ реального времени, внедренные в ряды организаций бывшего Минприбора СССР Все пакеты Прикладных программ сданы в государственный и отрасле-аой фонды алгоритмов и программ и доступны для широкого круга специапистоа.

Поставлены и решены новые задачи оптимизации резервирования сложных вычислительных и информационных систем, являющиеся серьезным научным вкладом в теорию надежности. В рамках этого направления впервые решены оптимизационные задачи резервирования восста-нзвпиеэемых и не восстанавпиваемых систем со скользящим резервом,интенсивность отказов элементов которых является функцией времени Для класса управляемых подвижных систем, у которых интенсивность отказов является не только функцией времени, но и пространства. в котором эта система находится, решены ориги-напьные задачи оптимального управлений движением системы и игра «нападение-защита» между системами. Все решений доведены до рабочих алгоритмов, легко используемых на практике. По данному направлению опубликован ряд статей в центральных академических журналах и издана монография «Новые задачи оптимизации резервированных систем»

8 девяностые годы нэ кафедре И8Т проводились фундаментальные исследования, имеющие большое народнохозяйственное значение, по теме «Разработка методов и создание средств автоматизации исследований надежности и безопасности сложных систем управления техническими объектами«. Работа направлена на создание превышающих мировой уровень метвдов, инструментальных и программных средств автоматизированной имитации неисправностей в действующей системе управления с ЭВМ и проведения испытаний на. надежность и безопас-. ность систем управления в энергетике, нефтехимии, космических исследований.

Основные компоненты этих разработок и способ реализации защищены 5 авторскими свидетельствами на изобретения и нашпи частичное внедрение. Написана и депонирована в ВИНИТИ монография «Метод и средства автоматизированного исследования последствий неисправностей и оценки надежности цифровых устройств».

8 лоспеднее десятилетие на кафедре ИВТ была теоретически обоснована и разработана универсальная автоматизированная система статистической обработки на

базе ПЭВМ, позволяющая эффективно и удобно для пользователя средней и ниже средней квалификации производить статистическую обработку многоуровневых данных.

Разработанная система является результатом взаимодействия двух направлений информатики: систем управления базами данных и пакетов статистической обработки информации. Такой подход позволяет заметно расширить возможности и повысить эффективность статистической обработки. В данной работе рассматривается весь комплекс проблем, возникающих при статистической обработке многоуровневой информации, предложена концепций на основе введенных абстрактных понятий информационно-поискового пространства, дерева объектов, дерева показателей, определены количественные характеристики компактности, быстродействия и эффективности системы, детально разработаны принципы создания интерактивной системы, ориентированной на пользователя-специалиста в своей предметной области, позволяющей резко повысить эффективность статистической обработки сложноструктурированной исходной информации большого объема. Данные принципы были использованы при реализации системы специализированных баз данных для статистической обработки экологических данных г.Омска, внедренной Госкомэкологии Омской области.

Сотрудниками и аспирантами кафедры внесен значительный вклад в разработку теории искусственных нейронов и искусственных нейронных сетей. При этом основной упор исследований был направлен на изучение надежностных свойств искусственных нейронных сетей, исследование принципов адаптации к отказам нейронов и на разработку методов синтеза оптимизированных надежных адаптивных сетей с заданными свойствами, разработку апгоритмов анапиза и синтеза оптимальных по соответствующим критериям моделей искусственных нейронов и нейронных сетей, создание соответствующего программного обеспечения для исследования нейронов и нейронных сетей на персональных ЭВМ.

В рамках указанных направлений исследований были выдвинуты новые, нашедшие практическое применение, схемотехнические принципы построения многофункциональных искусственных нейронов с кодовой перестройкой логики, осуществляемой путем дискретного изменения весовых коэффициентов синапсов и величины порога срабатывания нейрона. На основе выдвинутых принципов разработаны многофункциональные нейронные модули средней интеграции на магнитно-диодных переключа-

телях тока, разработаны схемотехнические основы построения многофункциональных нейронных модулей с кодовой перестройкой логики на магнитно-тиристарных элементах распределения тока, позволяющие осуществлять неразрушающее считывание записанной информации, предложены новые принципы технической реализации многофункциональных искусственных нейронов с кодовой перестройкой логики на транзисторно-транзисторных переключателях тока, позволяющих строить нейронные модули большой интеграции. Все разработанные технические решения защищены авторскими свидетельствами на изобретения.

Выдвинуты идеи и разработаны основополагающие методы технической диагностики искусственных нейронов и нейронных сетей.

Разработаны практические рекомендации по минимизации процедуры синтеза проверяющих тестов для регулярных логических нейронных сетей.

В последнее время исследования были направлены на детальное изучение факторов, определяющих высокую функциональную надежность избыточных искусственных нейронных сетей различной конфигурации, на исследование адаптивных к отказам нейронных сетей и влияние процесса адаптации на вероятность безотказной работы и среднее время «жизни» искусственных нейронных сетей. Построен ряд математических моделей искусственных нейронных сетей, в том числе математическая модель избыточной адаптивной искусственной нейронной сети с замещением отказавших нейронов резервными и исследовано ее поведение при пуассоновском потоке отказов нейронов в предположении, что отказавшие нейроны восстанавливаются и в предположении, что отказавшие нейронные элементы восстанавливаются.

Показано, что задача выбора наилучшей в смысле максимизации вероятности безотказной работы к заданному моменту времени и среднего времени «жизни» не восстанавливаемой и восстанавливаемой нейронной системы сводится к задаче целочисленного программирования. Получены алгоритмы решения обеих задач.

Впервые поставлена и решена задача оптимального резервирования многослойной многовыходной структурно однородной «стареющей» адаптивной искусственной нейронной сети. Для исследования такой сети разработан математический аппарат и алгоритмы для решения двух оптимизированных задач; вычисление вектора резервирования, максимизирующего вероятность безотказной работы на заданном интервале времени «стареющей» адап-

й

Сотрудники кафедры ИВТ на 25-летии кафедры, 1997 г.

тивной нейронной сети и вычисление вектора резервирования, максимизирующего среднее время «жизни» «стареющей» адаптивной искусственной нейронной сети.

8 развитие указанного исследования поставлена и решена более сложная задача оптимизации восстановления после отказов нейронов избыточной «стареющей» адаптивной искусственной нейронной сети, состоящей из логически стабильных нейронных мини-сетей.

Результаты этик исследований опубликованы более чем в тридцати статьях, включая академические издания.

Новое научное направление, развиваемое доцентом Флоренсоеым А. Н.. названное теорией семантических систем, в своих формализациях исходит из двух множеств, названных множеством объектов и множеством представлений объектов, и отображения первого во второе. Отображение, входящее в эту формализацию, отображает элементы множества представлений в множество, элементы которого есть мультимножества. Простейшим примером интерпретации для указанной формализации служит информационная система из словаря естественного языка и конкретного множества текстов на этом языке, где отображение отображает каждый текст в мультимножество слов, образующих этот текст.

На описанной базовой математической структуре может быть построен ряд метрических пространств, два основных из которых, рассмотренных в созданной теории, содержательно отражают для объектов близость соседства в имеющихся представлениях и близость взаимозаменяемости. Указанная модель может быть применена к различным информационным системам, из которых наибольший интерес представляют модель совокупности хранимых визуальных образов, модель текстов, описывающих реальный мир и модель, представляющая совокупность простых понятий.

Развитая теория изучает свойства обобщенных предельных точек в семантических пространствах. При этом некоторые факты, обнаруженные для человеческих систем знаний эмпирическим путем, получают фундаментальное обоснование в новой теории.

Построенная теория закладывает фундамент нового направления теоретической информатики, которое кроме осознания ряда классических проблем систем человеческих знаний дает инструмент для построения технических систем знаний, причем систем знаний, использующих семантическую близость информационных объектов и динамически формируемый свойств объектов, в том числе системы, автоматически формирующие обобщения имеющейся информации.

Принципиальное отличие информационных систем, базирующихся на рассматриваемой теории, от систем искусственного интеллекта, состоит в том, что первые не только не базируются на теории логического вывода, но и совсем не используют логические связи. Связи, динамически формируемые в новых системах, названных семантическими, имеют числовой характер и, по существу, являются математическими метриками с нормированными, но, в пределах нормы, произвольными значениями. Эта связи и формируемые на их основе свойства отображают более фундаментальные особенности реального мира и естественных языков, где описание не является ни категорически истинным, ни категорически ложным, а является именно описанием реального мира или производного от него.

В развитие проводимых на кафедре ИЕГГ фундаментальных исследований доцентом А.С. Гуменюком предпринята успешно реализуемая попытка формализовать феномены Раздельного и целостного восприятия событий человеком.

пути к цели потребовалось открыть и формально определить новый абстрактный объект - строй цепи элемента, в котором в отличие от упорядоченного множества элементов или кортежа (знаковой последовательности, текста, последовательности данных измерений, цепи сообщений) представлен только порядок следования собы-

тий, безотносительно к их содержанию. Это позволяет выявлять среди одинаковых и разных ло природе данных наблюдений только такие цепи данных, которые имеют одинаковый строй или порядок ообытий, Обычно цель данных содержит одинаковые и разные сообщения и предста-вима неоднородной знаковой последовательностью, которая в свою очередь может быть разложена на несколько однородных цепей, содержащих только одинаковые события. В качестве первичного информационного элемента при описании строя цепи использован интервал между соседними одинаковыми символами в однородной последовательности, полное описание которой осуществляется вектором интервалов. Строй конкретной неоднородной последовательности определяется матрицей интервалов. Перемножение всех интервалов неоднородной цепи событий дает величину, названную объемом строя цепи. Логарифмирование объема позволяет получить удобную для практического использования величину, названную глубиной расположения элементов строя. Компьютерные исследования знаковых последовательностей разной природы (литературных и музыкальных текстов, цепей данных измерений, изображений) показали весьма высокую чувствительность полученных величин к разнообразию состава и расположению элементов. Разработанные А. С. Гуменюком формулы для вычисления отмеченных величин обобщают известные формулы для количества информации К.Шеннона и М.Мазура, так как учитывают не только характеристики состава цепи, но и ее строй.

Кроме интегральных числовых характеристик строя цепи предложены характеристики для более его детального описания. Разрабатываемый инструментарий способен во многом заменить теорию вероятностей и математическую статистику в тех ситуациях, когда есть необходимость и имеется возможность (наличие компьютеров) учитывать не только числа (частоты) вхождения элементов в состав цепи, но и порядок их следования. На долю вероятностного аппарата остается исследование таких (случайных) явлений, для которых невозможно или нет необходимости учитывать порядок следования событий.

Разрабатываемый инструментарий а настоящее время позволяет измерять порядок знаков в тексте, форму кривой, строй массива данных любого размера и размерности, порядок цепи событий. Очевидна возможность его применения для решения обратных задач • синтеза цепей с заданным строем.

По результатам научных исследований сотрудниками кафедры ИВТ опубликовано 4 монографии, более 600 статей и тезисов докладов, получено более 300 авторских свидетельств на изобретение. Сотрудники и аспиранты защитили 4 докторские и более 30 кандидатских диссертаций. Четыре сотрудника кафедры и два студента стали лауреатами Премии омского комсомола в области науки и техники. Восемь сотрудников кафедры удостоены знака «Изобретатель СССР», Автору статьи за заслуги в науке и технике в 1993 году было присвоено звание заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации.

Наиболее важные научные труды сотрудников кафедры ИВТ

1. Потапов В.И., Пальянов И.А, Построение проверяющих тестов для пороговых элементов// Известия АН СССР Техническая киберненика. -1973. - №4.-С. 140-147,

2. Потапов В.Н.НестерукВ.Ф. Принципы построения ассоциативного вычислительного устройства из формальных нейронов// Проблемы бионики: Республиканский межведомственный сборник. -Харьков: УГУ. -1975. -Выл, 14. - С.89-94.

3. Потапов В.И., Братцев С.Г. Вычисление коэффициентов уравнений «гибели» при скользящем резервировании//Известия АН СССР Техническая кибернетика: -1976, - № 2. - С.74-61.

4. Потапов В.И., Пальянов И.А. Диагностика пороговых элементов// Известия СОАН СССР Сер, Техническихнаук. -1976. - Выл.2. - № 6. - С.126-133.

5. Потапов В .И., Фяоренсов А.Н. Таблично-адаптивная организация вычиспения ЭВМ функций, принадлежащих к классу дважды непрерывно дифференцируемых// Автоматика и вычиспительная техника. - Рига. - 1977, - Na 6.

- С.73-77,

6. Потапов В.И. Основы технической реализации многофункциональных нейроноподобных элементов с кодовой перестройкой погики на магнито-тирисгорных схемах распределения тока// Проблемы бионики: Республиканский межведомственный сборник. - Харьков: Вища школа. 1978 -вып 21 - С.89-95.

7. Потапов В.И , Фпоренсов А.Н. Табяично-алгорит-мический метод реализации в ЦВМ функции логарифма/ / Управляющие системы и машины.- Киев, 1978.-Ne 4,-С. 90-94.

8. Потапов В.И , Флоренсов А.Н. Табпично-алгоритми-ческая организация вычислений элементарных функций а ЦВМ// Известия высших учебных заведений. Приборостроение. -1978.- Т. XX). - Ne 9, - С.63-66.

9. Потапов В.И., Братцев С.Г. О среднем времени «жизни» одного класса резервированных восстанавливаемых структур при произвопьной во времени интенсивности отказов и восстановления// Автоматика и вычислительная техника,- Рига, 1979. - № 1. - С.44.

10. Потапов В.И., Быкова В.В., Кузнецова Е.М. Автоматизация построения имитационных моделей вычислительных процессов реального времени в АСУ// Имитационное моделирование производственных процессов. - Новосибирск: СОАН СССр 1979. -С.102-107

11. Потапов В.И. Методы ускоренного выполнения арифметических операций е ЦВМ,- Омск: ОмПИ, 1980. - 87с.

12. Потапов В.И., Быкова В.В., Кузнецова Е.М. Программно-имитационный комппексдля автоматизированного проектирования АСУ реального времени//Труды МВТУ.-19ВЗ.

- № 395. - С.95-103.

13. Потапов В.И , Нестерук 8.Ф., Нестерук Г.Ф., Гипь В.Т. Принципы организации пороговых эпементов на [ЩЦ11 Техника средств связи. Сер.вычислительная техника в системах связи. - Москва, 1983, - Вып.2. - С.26-31.

14. Потапов В.И. Управление научной деятельностью -s системеУ/Вестник высшей школы. - 1985. - Na 8..-С.47-49.

15. Потапов В.И . Задорожный В.Н , Серов В.Ф. Система имитационного моделирования вычислительных комплексов (СИМВК)ГОмПи; Каф электронных вычислительных машин. - Омск, 1983. - 816с - Деп В Гос ФАП, Киевское ПКБ Минприбора СССР, Na П007643 СМОФАП АСУТП.

16. Потапов В. И., Флоренсов А.Н. Табпично-алгоритмичес-кие эьрчис лени я функций в ЭВМ. - Иркутск: ИГУ, 1985. - 107с.

17. Потапов В.И., Братцев С.П Новые задачи оптимизации резервированных систем,- Иркутск: ИГУ, 1986 - 112с.

18. Потапов В.И., Папьянов И.А., Шафеееа О.П. Интерактивный код дпя исправления ошибок в массовых двоичных данных// Известия высших учебных заведений. Сер. Приборостроение. - 1986. - № 11. - С.50-53,

19. Папьянов И.А., Потапов В.И. Схемотехника и контропь элементов пороговой логики. - Омск: ОмГТУ, 1993.-155с.

20. Потапов В.И., Дорошенко М.С., Серое В.Ф Метод и средства аатоматизированного исследования последствий неисправностей и оценки надежности цифровых устройств/ ОмГТУ. - Омск, 1996. - 110с. - Деп. В ВИНИТИ 20.11.96, № 3371

21. Потапов В.И., Червенчук И.8. Статистическая обработка при наличии пропущенных наблюдений с использованием главных компонент// Вычислительная техника и новые информационные технологии. - Уфа: УГАТУ, 1997,-С.99-105.

22. Потапов В.И., Червенчук И В Исспедование главных компонент для снижения размерности исходных по-казатепей// Вычислительная техника и новые информационные технологии. - Уфа : УГАТУ, 1999.- Вып,2. - С 22-28

23. ГуменюкА.С. Исчисление и анализ строения информационных цепей// LV научная сессия, посвященная Дню радио: Труды. - М„ 2000. -С.249-250.

24 Фпоренсоа А.Н. О симантических взаимосвязях в информационных системax'/LV научная сессия, посвященная Дню радио: Труды. - М , - 2000. - С.248-249

25. Фпоренсов А.Н. Построение абстрактного пространства для семантической теории информации// Доклады СОАН ВШ -2000. - Na 2. - С.94-101.

26. Фпоренсов А.Н. Метризация знаний в системах информации// Труды Международной научно-практической конференции KDS-2001 «Знание-диапог-решение»,- Санкт-Петербург, 2001. - С.608-614.

27. Потапов В.И., Потапов И.В. Вероятностная модель функционирования избыточной адаптивной искусственной нейронной сети//Доклады СОАН ВШ,-Новосибирск.-2001, №2(4). С.75-82.

28. Потапов В.И., Потапов И,В. Математическая модель адаптивной искусстеенной нейронной сети с замещением отказавших нейронов резервными// Омский научный вестник. - 2002. - Вып. 1В. - С.135-138.

29. Потапов В.И.. ПотаповИ.В. Оструктурной сложности искусственных нейронов с пресинапгическим взаимодействием и реапизации функций от большого числа переменных// Дошады СОАН ВШ. - Новосибирск. - 2002, № 1 (5),С.84-91.

30. Gumenjuk, A., Kostyshin, A., Simonova, S. An approach to the analysis of text structure//Gtottametrics. -3 (2002) -. -Liidenschtid: RAM-Verl., 2002. - С.61-89

О ФОРМИРОВАНИИ НАУЧНОЙ ШКОЛЫ ГЕОМЕТРОВ -ГРАФИКОВ__

ВОЛКОВ Владимир Яковлевич, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой начертательной геометрии, инженерной и компьютерной графики.

8 конце 60-х годов на кафедре начертательной геометрии и графики Омского политехнического института стзпа формироваться научная среда, чему способствовала за-

щита кандидатских диссертаций тремя сотрудниками кафедры Юрием Николаевичем Ивановым, Анэтопием Николаевичем Подксрытовым, Владимиром Яковлевичем Волковым. Первые даа преподавателя эанимапись геометрическими методами профипирования режущего инструмента, областью исследования последнего стала многомерная на-