CC BY
8
Методологические аспекты формирования образовательного стандарта и программ по направлению «Информационные технологии в процессах управления»
Е.И. Веремей, зав. кафедрой, профессор факультета ПМ-ПУ СПбГУ, e_veremey@mail.ru
В докладе обсуждаются базовые положения методологической концепции, положенной в основу разработки образовательного стандарта и компетентностно-ориентированных образовательных программ для нового направления подготовки бакалавров и магистров в Санкт-Петербургском государственном университете. Формирование этого направления осуществляется на основе и в развитие основных идей, на которых базируется действующее направление 010300 «Фундаментальная информатика и информационные технологии» [1,2]. Вместе с тем учитываются и соответствующие особенности направления 010400 «Прикладная математика и информатика», связанные с профессиональным обучением студентов, специализирующихся в области процессов управления. Актуальность введения нового направления задается спецификой информационной и компьютерной поддержки задач моделирования, исследования, проектирования и цифровой реализации систем управления и протекающих в них процессов.
1. Новое направление подготовки бакалавров и магистров
Существо направления подготовки бакалавров и магистров «Информационные технологии в процессах управления» определяется той особой ролью, которую играют процессы и системы управления динамическими объектами в инновационном преобразовании общества [3].
Области применения систем управления отвечают практически любым современным вариантам активной инновационной человеческой деятельности. В частности, сюда относятся управление техническими объектами и физическими процессами, обработка сигналов (в первую очередь - представляющих изображения и звуки), целенаправленные воздействия на биосферу и человеческий организм, управление климатом, регулирование экономической и финансовой деятельности, управление предприятиями, регулирование транспорта, принятие решений в сфере государственного управления и многие другие области.
Независимо от конкретной содержательной сущности процессов управления и конкретных функциональных задач, решаемых системой,
обеспечивающей протекание этих процессов, существует совокупность общих особенностей и закономерностей, которые позволяют говорить об особой сфере приложения информационных и компьютерных технологий. Эта сфера, естественно, базируется на общих принципах фундаментальной информатики, однако требует специального учета указанных особенностей, выделяющих ее на фоне прочих направлений, охватываемых Computer Science. Такой учет направлен на всемерное повышение эффективности и качества применения информационной поддержи, базирующейся на современных компьютерных средствах, системном, инструментальном и прикладном программном обеспечении.
Характеризуя современное состояние компьютеров и технологий их применения в процессах управления, имеет определенный смысл выделить следующие три стратегические линии, находящиеся в настоящее время в стадии бурного развития и постоянного совершенствования:
- параллельные вычисления, суперкомпьютеры (Parallel Computing and Supercomputers) и способы их эффективного применения;
- облачные вычисления и технологии (Cloud Computing and Technologies) с учетом сервисов, предоставляемых указанной сферой;
- встраиваемые вычисления и системы (Embedded Computing and Systems) во всем многообразии их применения.
Очевидно, что все указанные линии имеют самую непосредственную связь с системами и процессами управления, хотя первые две из них принципиально отличаются от третьей. Дело в том, что они ориентированы на весьма мощные вычислительные ресурсы, предоставляемые пользователю, а третья линия, напротив, связана с предельно скромными вычислительными средствами. Подобное отличие определяет значительную разницу в технологиях использования соответствующих систем специалистами по управлению.
В частности, рассмотрим весьма перспективный и широко популярный круг вопросов, относящихся к облачным вычислениям и технологиям. Здесь в настоящее время достаточно четко выделены три сегмента услуг: предоставление компьютерной инфраструктуры (как правило, в виртуальной форме); предоставление интегрированной платформы для разработки, тестирования, развертывания и поддержки веб-приложения как услуги; предоставление программного обеспечения как услуги. Очевидно, что для эффективного и высококачественного использования указанных сервисов необходима строго продуманная система проблемно-ориентированной функциональной привязки к ним решаемых задач.
Что касается встраиваемых систем, в частности - автономных систем управления подвижными объектами, в центре внимания специалистов по управлению постоянно должны находиться вопросы всемерной
экономии вычислительных ресурсов за счет выбора наиболее быстрых и компактных алгоритмов вычислений. В настоящее время имеется богатейший арсенал вычислительных схем для решения задач теории и практики управления динамическими объектами. Однако далеко не все они в равной мере пригодны для применения в режиме реального времени, хотя эффективно работают в лабораторных условиях. Это дает весьма значимый повод для целенаправленного пересмотра существующего алгоритмического обеспечения задач теории управления, которые считаются решенными, с ориентацией на встраиваемые системы.
Вполне естественно, что наличие особой сферы применения информационной и компьютерной поддержки с указанной ориентацией требует организации целенаправленной подготовки специалистов в системе высшего образования, отвечающих самым передовым профессиональным запросам в данной отрасли деятельности. Специально подчеркнем, что методологическая основа такой подготовки должна быть непосредственно связана с теми особенностями и закономерностями применения информационной и компьютерной поддержки процессов и систем управления, которые выделяют ее в специфическую область знаний.
На Факультете прикладной математики - процессов управления (ПМ-ПУ) Санкт-Петербургского университета на протяжении 42-х лет осуществляется обучение высококвалифицированных специалистов по теории управления и ее приложениям. За эти годы накоплен богатейший опыт подготовки выпускников и проведения научных исследований в сфере применения формализованных математических методов и передовых информационных и компьютерных технологий для анализа и проектирования сложных наукоемких автоматических и автоматизированных систем управления объектами различной природы.
Тем не менее, осознание того факта, что для подготовки специалистов, ориентированных на применение информационной поддержки и компьютерных методов в процессах управления требуются специализированные подходы, и привело к решению об организации нового образовательного направления «Информационные технологии в процессах управления». Ниже приводятся базовые соображения, которые положены в основу предложений по его формированию. В их состав входят как единые основные принципы профессиональной подготовки бакалавров и магистров информационных технологий, так и специфические подходы, соответствующие опыту и традициям факультета ПМ-ПУ по обучению специалистов для сферы управления динамическими объектами.
Новое направление будет реализовано на факультете ПМ-ПУ СПбГУ на основе и с использованием принципиальных научных и методологических положений, на которых построены направления «Фундаментальная информатика и информационные технологии» и «При-
кладная математика и информатика». Вместе с тем, будут учтена и реализована специфика информационных аспектов, характеризующих системы и процессы управления для объектов различной природы.
2. Задачи управления и компьютерные технологии
Конкретная идеология применения компьютеров, компьютерных методов и наукоемкого программного обеспечения определяется конкретным функциональным наполнением основных направлений деятельности специалистов по управлению динамическими объектами.
а) Математическое моделирование. Здесь компьютерная поддержка ориентирована на построение формализованного математического описания динамических объектов в виде систем обыкновенных дифференциальных или разностных уравнений.
Построение таких математических моделей осуществляют двумя путями. Первый базируется на содержательных законах природы, которым подчиняется динамических объект. Второй подход имеет экспериментальный характер и применяется в тех случаях, когда содержательные законы либо не полностью известны, либо слишком сложны. В рамках первого подхода компьютерные технологии используются как вспомогательное средство для проведения вычислительных экспериментов, уточнения параметров или выполнения символьных преобразований.
Второй подход целиком базируется на компьютерных технологиях и реализуется в рамках задач структурной и параметрической идентификации. Особая роль принадлежит методам решения таких задач непосредственно в процессе функционирования систем с целью адаптации к конкретным условиям управления.
б) Компьютерное моделирование на уровне исходных кодов. Математические модели служат основой для компьютерного моделирования, как наиболее универсального, удобного и эффективного средства поддержки исследований и разработок. Особую роль здесь играет программный комплекс, входящий в состав компьютерных моделей, в особенности - его прикладная часть. Она формируется в виде исходного кода на языках высокого уровня, и наиболее эффективным подходом к ее разработке является технология объектного программирования с функциональной привязкой к конкретным моделируемым объектам.
в) Компьютерное моделирование в инструментальных средах. Современные подходы к моделированию динамических объектов ориентированы на использование специализированных инструментальных средств, существенно облегчающих и повышающих эффективность и качество построения моделей. Подобные инструменты строятся на базе идей компонентного и структурного моделирования, позволяя пользователю работать в визуальном режиме с выбором необходимых элементов модели из библиотек стандартных наборов. В основе таких инстру-
ментов, как правило, лежит объектно-ориентированная технология, поддерживающая возможность автоматизации написания исходного кода, используемого в сопровождении модели.
г) Анализ свойств динамических объектов. Компьютерная поддержка широкого спектра исследований, связанных с системами и процессами управления, предполагает всемерную автоматизацию применения всего математического аппарата, предназначенного для их анализа. Естественно, что в первую очередь речь идет об анализе динамических свойств и особенностей. Особо значимыми представляется формирование и использование компьютерной поддержки методов и алгоритмов анализа управляемости и наблюдаемости, устойчивости движений и систем, чувствительности и робастности, динамического качества, спектральных свойств и других аспектов, определяющих эффективность функционирования систем управления.
д) Синтез алгоритмов управления. В теории управления особое значение придается вопросам аналитического синтеза, которые предполагают формализацию задач проектирования систем управления с дальнейшим привлечением различных средств для их решения.
В настоящее время акцент делается на такой формализации, которая приводит к оптимизационной постановке, что позволяет широко применять современные компьютерные технологии на всех этапах разработки, существенно повышая качество проектов и освобождая проектировщика от ряда сложных проблем, решение которых на сегодняшний день легко автоматизируются. Последнее обстоятельство позволяет сосредоточиться на вопросах, формализация которых либо совсем невозможна, либо нежелательна по каким-либо причинам.
В рамках подобной формализации искомые (настраиваемые) элементы проектируемой системы, а точнее - их математические модели формируются как результаты решения различных оптимизационных задач, состоящих в поиске экстремума того или иного функционала на определенном допустимом множестве настраиваемых элементов.
е) Реализация алгоритмов управления. Результаты синтеза далее подлежат цифровому применению в темпе реального времени с использованием компьютерных элементов и технологий. Это обстоятельство, с одной стороны является обременительным, поскольку вычислительные ресурсы, используемые при реализации, как правило, существенно ограничены, что порождает целый ряд принципиальных проблем. Но, с другой стороны, цифровая реализация обладает большой гибкостью, что, позволяет проводить адаптацию и перенастройку системы в ходе ее работы при соответствующей ориентации программного обеспечения.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что использование средств цифровой реализации алгоритмов управления открывает широ-
кие возможности для построения отладочных стендов и тренажерных комплексов, связанных с создаваемыми системами.
3. Профессиональные компетенции выпускников
В соответствии с отмеченными выше характерными особенностями информационной и компьютерной поддержки систем и процессов управления, подготовка специалистов, реализующих такую поддержку, предполагает изучение теоретических и методических основ деятельности, ориентированной на создание и развитие технологий информационной индустрии [1,2] и их применение в системах и процессах управления. Отсюда следует особая значимость специализированной подготовки бакалавров и магистров, которые должны профессионально заниматься исследованиями, разработкой и эксплуатацией соответствующих аппаратно-программных комплексов.
Образовательное направление «Информационные технологии в процессах управления» создано для подготовки бакалавров и магистров, осуществляющих практическую деятельность по исследованию, проектированию, совершенствованию, моделированию и эксплуатации информационно-управляющих систем, базирующихся на современных средствах компьютерной техники и на передовых компьютерных технологиях. Образовательный стандарт по данному направлению нацелен на создание условий образовательной поддержки (через освоение современных математических методов, алгоритмов и реализующих их программных средств) для практикующих профессионалов в сфере инновационной деятельности в области процессов и систем управления в условиях современного этапа модернизации России.
Новый стандарт предусматривает обеспечение потребностей научных, производственных и образовательных учреждений в интеллектуально, культурно и нравственно развитых бакалаврах и магистрах для научно-исследовательской и производственной деятельности в области информационно-управляющих систем, базирующихся на компьютерных технологиях. Образовательная программа, формируемая в соответствии с данным стандартом, ориентирована на повышение конкурентоспособности выпускников, как в России, так и за рубежом, в сфере указанной деятельности на базе фундаментальных достижений отечественного университетского образования и традиций математической школы Санкт-Петербургского университета.
В соответствии с единой системой формирования образовательных стандартов, принятой в СПбГУ, образовательная программа по новому направлению имеет компетентностную ориентацию с учетом всего комплекса компетенций, характеризующих современные образовательные стандарты нового поколения.
Особо подчеркнем, что в составе компетенций особо выделены характерные аспекты, отражающие специфику отмеченных выше связей задач управления динамическими объектами с современными компьютерными системами и компьютерными технологиями.
В частности, приведем перечень специфических профессиональных компетенций бакалавра, получившего подготовку по новому направлению, по владению математическим аппаратом деятельности.
Бакалавр информационных технологий по направлению «Информационные технологии в процессах управления» должен:
• обладать пониманием фундаментальных концепций и основных законов естествознания, математических абстракций, способностью использования на практике передовых аналитических и численных методов базовых математических дисциплин;
• уметь формулировать содержательные задачи в области процессов и систем управления с учетом возможностей и особенностей их информационной поддержки и ставить соответствующие им математические задачи, допускающие практическое использование на базе передовой компьютерной техники и компьютерных технологий;
• иметь способность выбирать известные аналитические методы решения поставленных задач в сфере динамики процессов и систем управления, при необходимости - модифицировать их или разрабатывать новые методы решения, ориентированные на безусловную реализуемость на базе доступных вычислительных ресурсов;
• уметь обеспечивать алгоритмическую поддержку аналитических методов, формировать реализующие их вычислительные схемы и программно реализовывать их с применением современных компьютерных технологий и передовых инструментальных средств разработки, ориентированных на специфику решения задач управления и обработки сигналов;
• уметь эффективно привлекать современные математические методы для решения задач моделирования, анализа и синтеза алгоритмов управления и обработки информации, обеспечивая необходимое быстродействие и минимизируя объемы вычислительных затрат.
4. Пример выбора алгоритмов синтеза управлений
Как было отмечено выше, одним из характерных подходов, применяемых специалистом, подготовленным по новому направлению в области компьютерной поддержки процессов и систем управления, является целенаправленный выбор реализуемых им алгоритмов с ориентацией на вычислительные возможности конкретных систем.
В частности, решающим фактором для программной реализуемости алгоритма в темпе протекания процессов управления является быстродействие, которое должно соответствовать такту обмена информацией.
В качестве конкретного примера вариативности расчетных алгоритмов, позволяющей выбирать наиболее подходящие вычислительные схемы, рассмотрим задачу синтеза линейных стационарных законов управления, которая может решаться в рамках встраиваемых систем.
Одним из широко используемых оптимизационных подходов к проектированию систем управления служит теория среднеквадратичного синтеза [4]. Она объединяет математические методы и алгоритмы поиска регуляторов, обеспечивающих максимальное подавление влияния внешних возмущающих факторов на желаемые движения систем.
В частности, широко популярна идеология LQG-оптимизации [5], в рамках которой внешние возмущения и помехи в измерениях трактуются как гауссовские белые шумы.
Рассмотрим SISO задачу LQG-оптимального синтеза, которая ставится для динамических объектов с линейной стационарной моделью
irXu¿+h(t>.
(6)
x е En - вектор состояния объекта, , ¿ - контроли-
руемая, y - измеряемая переменная, u - управление, ) - возмущение, ) - шум в измерениях. Компоненты матриц A , b, h, с будем считать постоянными, а пары ÍA,b и ÍA,вполне управляемой и наблюдаемой. Функции фС^) и ) являются взаимно не коррелированными гауссовскими белыми шумами: спектральная плот-
„2 ность первой из них равна единице, а для второй - константе у .
Наряду с уравнением (1) введём линейную модель обратной связи
и = W(p)y, (7)
где W —W.......If )/f2/1 причем Wi, W2 - полиномы,
p — d / dt
Будем рассматривать среднеквадратичный функционал
imud, (8)
о
который задан на движениях замкнутой системы (6), (7), k = const.
Задача состоит в поиске обратной связи, дающей минимум функционала (8) на множестве ^ ^ стабилизирующих регуляторов (7):
Ъ. (9)
Существует несколько способов решения задачи (9), в частности -«2-Риккати» подход [5], определяемый следующим алгоритмом построения оптимального регулятора:
1. Решаются два уравнения Риккати относительно матриц о и Р :
- 8Ь Ь'Б / к2 + А'Б + 8Л + с с = 0
2. Формируются две вспомогательные матрицы т и 1 по форму-
лам
'У2 .
к2 , 1 = Ре'/
3. Формируются оптимальный регулятор в виде системы
который однозначно сводится к форме (7) с передаточной функцией
Наряду с приведенной классической вычислительной схемой решения Ьрв-задачи, приведем иной алгоритм, базирующийся на спектральном подходе, основная идея которого представлена в работе [4]. 1. Выполняется факторизация двух полиномов
где
2. Формируется вспомогательный полином
где ёг ?г = 1 п - корни полинома ^( ^ (полагаем, что все они простые).
3. Строится передаточная функция оптимального регулятора
причем деление на полином ^( ^ выполняется нацело (без остатка).
Естественно, что для одинаковых исходных данных оба алгоритма приводят к одинаковому результату, однако спектральный подход по сравнению с классической схемой дает время счета, как минимум, на порядок меньше. Это весьма значимо для формирования компьютерной поддержки в условиях адаптивной перенастройки для различных встраиваемых систем с ограниченными вычислительными ресурсами, в частности - для систем управления подвижными объектами.
5. Заключение
В работе представлены базовые принципы, которые положены в основу формирования образовательного стандарта СПбГУ, образовательных программ и компенетностно-ориентирванных учебных планов по новому направлению подготовки бакалавров и магистров «Информационные технологии в процессах управления». Эти принципы отражают специфические особенности информационной и компьютерной поддержки систем и процессов управления, определяющие особую область профессиональных знаний в рамках современной фундаментальной информатики. Организация подготовки бакалавров и магистров по указанному направлению всецело ориентирована на обеспечение потребности в кадрах высокой квалификации, которые, несомненно, будут востребованы в условиях коренной модернизации экономики страны.
Литература
1. Computer Science Curricula 2008: An Interim Revisión of CS 2001. December 2008. Association for Computing Machinery. IEEE Computer Society.
2. Сухомлин В.В. Построение открытой национальной системы ИТ-образования/ Открытые системы. 2004, №8.
3. Веремей Е.И. О подготовке специалистов по направлению «Информационные технологии в процессах управления» // Тр. Пятой международной научно-практической конференции «Современные информационные технологии и ИТ-образование». - М.: ИНТУИТ.РУ, 2010. - С. 61-68.
4. Веремей Е. И. Спектральный подход к оптимизации систем управления по нормам пространств H2 и H» // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 10. 2004. Вып. 1. С. 48 - 59.
5. Control System Toolbox 6: For Use with MATLAB/ - Natick (Mass.): The MathWorks, Inc., 2004. - 326 p.
