Магістерська програма «Системне проектування»

1. Загальна характеристика

Нова спеціальність  8.06010301 «Системне проектування» входить до напрямку  6.050101 «Комп’ютерні науки» підготовки фахівців і споріднена зі спеціальністю 8.06010201 «Інформаційні технології проектування». Вона охоплює етап попереднього проектування, коли формуються вимоги до можливого технічного завдання, виходячи з аналізу потоків даних майбутньої системи і її призначення, дослідження і вибору доцільних алгоритмів її функціонування. 

Системне проектування – це міждисциплінарна методологія побудови інтелектуальних середовищ, призначених для розв’язування задач дослідження і проектування складних об’єктів (систем, процесів) різної фізичної  природи комп’ютерними засобами та за активною участю людей (експертів, аналітиків, інженерів, дослідників, проектантів тощо).

Фахівець із системного проектування займається вирішенням спектру задач, пов’язаних зі збиранням корисних даних для поставленої мети, їх аналізом, побудовою методів і моделей оброблення цих даних, розробкою варіантів структур та архітектурних рішень складних об’єктів та вибором  оптимальних проектних рішень, що реалізують мету проектування.

Об’єктом дослідження в системному проектуванні є різноманітні об’єкти, які підпадають під категорію складних систем та процесів, скажімо, такі, як інформаційні середовища (наприклад, розподілені комп’ютерні системи, семантичні Веб- та Грід-мережі), об’єкти наукових досліджень (наприклад, космічні або біологічні об’єкти), складні технічні системи (наприклад, інтегральні електронні схеми або гібридні вбудовані електронно-механічні системи), екологічні системи, технологічні або бізнес-процеси тощо. Таким чином, результати системного проектування в одних випадках можуть бути представлені у вигляді конкретних проектних технічних рішень, а в інших випадках - у вигляді певних узагальнень, прогнозів або рекомендацій, побудованих на підставі збирання та обробки великих обсягів даних та їх інтелектуального аналізу з використанням автоматизованих комп’ютерних  засобів.

Системне проектування, так само, як і системний аналіз, спрямоване на дослідження складних систем та процесів, моделювання яких вимагає комплексного підходу з використанням математичних методів, комп’ютерних технологій, а також взаємодії людини-експерта (або аналітика, чи, в загальному розумінні, - дослідника) з комп'ютерними системами. На відміну від системного аналізу, головною метою якого є розв’язання проблем прийняття рішень на підставі математичних методів дослідження, головною метою системного проектування є використання комп’ютерних засобів для розв’язання задач, пов’язаних з розробкою проектних рішень або виконанням досліджень на великих обсягах даних. Таким чином, обидві галузі – системний аналіз та системне проектування – можна вважати дисциплінами, які взаємно доповнюють одна іншу і спрямовані  на аналіз, дослідження та проектування складних систем.

Оскільки головним інструментарієм системного проектування є розподілені комп’ютерні системи, за допомогою яких збираються та аналізуються корисні для розв’язання даної задачі дані, на підставі яких генеруються певні рішення, то найважливішою складовою всіх процесів системного проектування є пошук і  інтелектуальна обробка даних в комп’ютерних мережах. Наукове обладнання і комп'ютерне моделювання є джерелами створення великих обсягів даних, для обробки яких потрібні потужні обчислювальні  ресурси і нові наукові методи аналізу даних та їх організації. Це стосується, перш за все, наук про Землю (супутникове дослідження Землі), медицини, фізики високих енергій, наук про життя, “зеленої” енергетики, нанотехнологій тощо.  Дані, зазвичай, є географічно розподіленими - так само, як і вчені, що співпрацюють у вирішенні власних задач. Об'єми даних подвоюються, приблизно, кожного року.  У 2009 році в світі було вироблено сорок екзабайт (еxabyte=10^18) даних. На жаль, всі існуючі нині сховища даних не здатні вмістити такі великі обсяги даних.

Управління даними базується на використанні програмного забезпечення і апаратних засобів, які  забезпечують  попереднє оброблення «сирих» даних, їх архівацію і збереження, пошук і всебічну інтелектуальну обробку. Тому виділяють  чотири різні типи технологій:  асиміляції даних, зберігання даних, високопродуктивних обчислень і інтелектуального оброблення  даних (вилучення знань). Сучасна наука (електронна наука - е-наука) базується на  обробці  потенційно величезних обсягів  інформації  незалежно від місць знаходження сховищ даних і потребує  виконання великого об'єму складних обчислень при забезпеченні  ефективного спілкування і співпраці вчених під час досліджень . Ці вимоги сьогодення, з врахуванням обмеженості ресурсів, які існують в будь-якому суспільстві, можна задовольнити лише спільним і скоординованим їх використанням, або „розділенням” ресурсів. Треба зробити доступними для вчених і фахівців різних організацій і країн існуючі комп'ютери, сховища даних, додатки, прилади, мережі, з врахуванням різноманіття (гетерогенності) цих ресурсів в межах розподіленого обчислювального середовища. 

Тому наразі актуальною є потреба в  нових фахівцях, підготовка яких включала би такі напрямки:

  • Системне коригування різних за природою даних, їх інтероперабільність (сумісність), семантичний опис даних.
  • Мови і системи представлення знань. Властивості знань. Моделі представлення знань. Методи роботи із знаннями.
  • Інтелектуальні  технології  Data Mining  для вилучення і формалізації знань. Поповнення знань. Логічний вивід на знаннях.
  • Розпізнавання образів і зображень. Аналіз сцен. Машинний зір. Навчання. Моделі навчання. Планування рішення завдань.
  • Системи  високопродуктивних обчислень. Розподілені системи збереження і оброблення даних.
  • Принципи організації і функціонування розподілених інтелектуальних систем. Засоби віртуалізації ресурсів в Грід- і Клауд-інфраструктурах. Апаратні і програмні засоби. Елементна база.
  • Метадані для пошуку ресурсу, обміну і повторного використання даних.
  • Семантичні Веб- і Грід- послуги.  Математичний  апарат «м’яких» обчислень (нейронні обчислення, нечітка логіка та інше), побудованих на підставах методів штучного інтелекту,  для розроблення  гібридних розподілених систем.
  • Міжнародні стандарти побудови платформ інтелектуальних програмних середовищ (наприклад, стандартів мультиагентних платформ).
  • Сучасні чисельні методи математичного моделювання та їх паралельні варіанти; застосування методів багатокритеріальної оптимізації з функціональними і параметричними обмеженнями.
  • Інструментальні засоби для розробки інтелектуальних систем. Засоби моделювання розподілених систем оброблення даних. Мови  програмування інтелектуальних систем.
  • Багатомодальний (multimodal) інтерфейс взаємодії користувача з комп’ютером та інші.
  • Прикладні інтелектуальні системи. Створення розподілених прикладних додатків для різних предметних галузей з використанням парадигм інтелектуального програмування.

Поява такої спеціальності відповідає завданню зі сприяння розвитку науки і технологій  відповідно до нових викликів і пріоритетів міжнародної науки,  удосконалення наукового і технічного управління даними і їх використання, що поставлене перед світовою спільнотою міжнародною організацією CODATA (Committee on Data for Science and Technologу)  і її  Міжнародною Академією даних (IDA- International Data Academy), які координуються Міжнародним комітетом у з науки ООН (International Council for Science).

В Росії існують кілька магістерських програм (552819 – Комп’ютерний аналіз і інтерпретація даних, 552822 - Розподілені автоматизовані системи, 552814 - Методи аналізу і синтезу проектних рішень,  552805 - Інтелектуальні системи, 552811 -  Бази даних, 552812  - Системи мультимедіа і комп’ютерна графіка, 552821 - Цифрова обробка сигналів, 552826 – Автоматизовані системи наукових досліджень і комплексних випробувань), в яких розглядаються окремі питання запропонованої в Україні магістерської програми  «Системне проектування».


 

2. Системне проектування і інженерія знань

За кордоном для аналогічних цілей недавно в ряді провідних вузів була введена нова магістерська спеціальність «Інженерія даних і знань» (Data & Knowledge Engineering), оскільки необхідність у швидкому доступі до потрібної інформації стала важливою умовою для успішної участі в наукових, економічних, культурних та соціальних процесах як на роботі, в контакті з державними установами, так і вдома, в магазинах і банках, в школах, університетах, тощо. Інформацією, як правило, вважаються будь-які структуровані дані, які мають контекстне значення. Що в такому разі являють собою знання? Знання – це короткий виклад інформації, що збирає воєдино структуровані дані і підсумовує на високому рівні минулий досвід. Знання відображають загальну, стабільну та довгострокову інформацію в якійсь області, в той час як дані виражають конкретну, змінювану  та короткочасну інформацію. Звичайно, інформація, що споживається, включає в себе і дані, і знання. Разом вони складають ядро інтелектуальних систем.  Інженерія знань займається основними проблемами  створення інтелектуальних вирішувачів задач і є важливою складовою системного проектування.

Програма «Системне проектування» пропонує студентам унікальне поєднання курсів комп’ютерних наук , прикладної математики і  штучного інтелекту.  З точки зору комп’ютерних наук акцент робиться на програмному забезпеченні, програмуванні, алгоритмізації та логіці, а не на апаратній складовій. Курси з прикладної математики розроблені так, щоб студенти могли швидко на практиці ознайомитись з важливими поняттями, методами і прийомами. Штучний інтелект дозволяє формулювання різноманітних висновків, в залежності від  доступних знань.

Системне проектування готує магістрів до успішної професійної кар’єри в сучасному суспільстві, в якому інформація і знання – це центральні чинники. Світова спільнота вчених, базуючись на даних і знаннях, розробляє заходи і нові технології протистояння  викликам людству на початку 21-го століття, які пов’язані з загрозами нестачі енергетичних носіїв і питної води, забруднення середовища і зміною клімату, поширенням хвороб, дисбалансом між зростанням населення Землі і спроможністю виготовлення достатньої кількості їжі, з глобальним «інформаційним бумом», коли обсяги даних, що оброблюються на комп’ютерах, досягли розмірів петабайтів. Перед фахівцями спеціальності «Системне проектування»  відкривається широкий спектр можливостей застосування своїх знань і умінь в суспільстві:  науці, ІКТ, медицині, біології, економіці, управлінні бізнесом та багатьох інших галузях.


 

3. Залучення студентів до наукових досліджень та тематика магістерських дисертацій

Наукові дослідження магістрів спеціальності «Системне проектування» виконуються на базі Центру суперкомп’ютерних обчислень НТУУ «КПІ» з одним з найпотужніших в Україні комп’ютерів, який підключено до національної грід- інфраструктури України і до європейської грід- інфраструктури EGEE, та українського Світового Центру даних, поєднаного з мережею подібних Світових Центрів 52-х країн світу, а також  в провідних інститутах НАНУ (ІТФ, ІМБіГ,ІК, ІПМЕ, геофізики  та інших), в яких розвиваються і застосовуються грід-технології, та спільних науково-навчальних лабораторіях  ІПСА-Samsung (Південна Корея) і КПІ-Melexis (Бельгія).

Тематика дослідницьких проектів магістрів включає:

  • Попередня обробка даних для інтелектуального аналізу
  • Автоматичне вилучення знань .
  • Методи і засоби об’єднання грід– технологій  і веб- технологій , зокрема, веб- сервісів і  грід- сервісів.
  • Грід - додатки для науково-технічної та соціально-економічної сфери діяльності, зокрема, для розв’язання задач комплексного  оптимального проектування складних інженерно-технічних об'єктів і систем.
  • Засоби формування даних,  їх збереження та інтелектуальної обробки, використання даних  для створення різноманітних баз даних в інтересах машинобудування, енергетики, метеорології  тощо.
  • Методи ефективного використання існуючих грід- ресурсів  за допомогою інтелектуальної обробки даних (DataMining) і створення пілотного комплексу систем  автоматизованого прийняття  рішень .
  • Підтримка грід- засобами  спільних навчальних програм магістерської  підготовки навчальних закладів різних країн.
  • Семантичний грід  для науки і інженерії. Семантична грід- платформа для підтримки інженерних віртуальних організацій.
  • Семантичне представлення грід- ресурсу  і його інтеграція з грід- брокером сервісів.
  • Забезпечення інтероперабільності  грід- сервісів на базі онтологій і автоматичного їх складання.
  • Грід- і Клауд-технології.
  • Моделювання грід- інфраструктур і їх компонентів.
  • Побудова онтологій для інформаційних ресурсів українського СЦД.
  • Грід –система для геоінформатики.
  • Проектування мікросистем на кристалі.


4.  Базові  і вибіркові дисципліни магістерської підготовки з «Системного проектування»

Семестр  9 (25.5 кредитів)
1. Пошук і попередня підготовка даних
2. Розподілені середовища високопродуктивних паралельних обчислень
3. Інтелектуальна обробка даних в розподілених  інформаційних середовищах
4. Функціональне та логічне програмування
5. Пошук знань в базах даних
6. Семантичні Веб- та Грід- сервіси
7. Системи з самоорганізацією
8. Модуль за  вибором
9. Модуль за  вибором

Семестр 10 (23.5 кредитів)
1. Розподілені системи прийняття рішень і логічних висновків
2. Комп'ютерний зір і 3D моделювання
3. Мультиагентні системи
4. Експертні системи на базі нечіткої логіки і нейронних мереж
5. Розпізнавання образів
6. Багатомодальний інтерфейс користувача
7. Методи багатокритеріальної і мінімаксної оптимізації
8. Модуль за  вибором
9. Модуль за  вибором

Семестр 11 (10 кредитів)
1. Засоби моделювання розподілених систем обробки даних
2. Захист знань (протидія атакам)
3. Інформаційні технології для бізнесу
4. Модуль за  вибором
5. Модуль за  вибором

Вибіркові  модулі
1. Географічні інформаційні системи
2. Комп’ютерні  ігри
3. Вбудовані системи
4. Біоінформатика
5. Проектний менеджмент
6. Системи мультимедіа
7. Генетичні алгоритми і еволюційне програмування
8. Проектування систем не кристалі

Ukrainian (UA)Russian (CIS)English (United Kingdom)