Базовая кафедра Московского физико-технического института (государственного университета) "Математическое моделирование сложных процессов и систем" при Вычислительном центре имени А.А. Дородницына Российской академии наук

Словосочетание "базовая кафедра МФТИ" означает, что кафедра "базируется" при некотором научно-исследовательском учреждении, которое принято называть "базой МФТИ" или, более официально, "базовым учреждением МФТИ". В этом учреждении реализуется третий "базовый", т.е. специальный цикл обучения студентов. При этом первый цикл - это общеинститутский цикл, второй - общефакультетский. (Обратим внимание на то, что имеется определенное противоречие между исходным смыслом слова "базовый" и его смыслом в словосочетаниях "базовая кафедра", "базовый институт", "базовый цикл" обучения, сбивающее иногда с толку тех, кто не посвящен в таинства физтех - терминологии. Например, "базовым" естественно было бы назвать общеинститутский цикл обучения, а вовсе не специальный.) Сотрудниками базовой кафедры являются сотрудники соответствующего базового учреждения, ведущие научно-исследовательскую работу в этом учреждении. Они читают лекции, ведут семинары, лабораторные работы, руководят научно-исследовательской работой студентов, являющейся главной частью учебного процесса на базовой кафедре, работами на соискание ученых званий бакалавра и магистра.

Каждая базовая кафедра МФТИ является уникальной. Чему обучают на базовой кафедре и как обучают - зависит от учреждения, при котором функционирует базовая кафедра, от положения этого учреждения в структуре научных исследований в России, от его связей с другими учреждениями, от людей, которые ведут обучение, от их научных взглядов, опыта работы. Администрация МФТИ практически не контролирует содержание учебных курсов на базовых кафедрах. Базовая кафедра может каждый год пересматривать содержание учебного процесса, вводить новые курсы, исключать те, которые считает неактуальными. Сотрудники базовых кафедр обучают тому, что они знают сами, тому, что их интересует как исследователей. Естественно, что задачи, которые ставятся студентам в рамках их научно-исследовательской работы, в рамках работ на соискание ученых званий бакалавра и магистра, находятся в сфере интересов научного руководителя студента. В большинстве случаев эти задачи являются частью проблем, решаемых в подразделении, где работает научный руководитель.

Для того, чтобы охарактеризовать базовую кафедру "Математическое моделирование сложных процессов и систем" при Вычислительном центре им. А.А. Дородницына Российской академии наук (ВЦ РАН) необходимо, хотя бы кратко рассказать о ВЦ РАН. (Более подробная информация содержится на сайте ВЦ РАН) Эта организация была создана в 1955 году благодаря усилиям выдающегося специалиста по аэрогидродинамике, академика, Героя Социалистического труда Анатолия Алексеевича Дородницына, который одним из первых в СССР понял перспективность использования компьютеров как в аэрогидродинамике, так и в других областях деятельности. Первые экземпляры универсальных ЭВМ, создаваемые в Институте точной механики и вычислительной техники РАН устанавливались в ВЦ РАН и становились доступными всем сотрудникам Академии наук. Таким образом, ВЦ РАН выполняла функцию обслуживания учреждений Академии наук самыми совершенными ЭВМ, имевшимися в СССР. (В настоящее время эту функцию выполняет Суперкомпьютерный центр при Президиуме РАН, руководит которым выпускник кафедры, академик РАН Г.И. Савин.) В то же время ВЦ РАН с самого начала был научно-исследовательским институтом. В течение нескольких лет после создания ВЦ РАН в нем выполнялись исследования по следующим основным направлениям: разработка численных методов решения задач линейной алгебры и систем дифференциальных уравнений, разработка компьютерных методов решения трудных конкретных задач аэрогидродинамики, разработка средств автоматизации программирования. В то же время, существовала общая задача, которая решалась в рамках всех перечисленных направлений. Она состояла во внедрении компьютерных методов в исследования и практическую деятельность, ведущихся в научно-исследовательских учреждениях СССР. Официально, в постановлении ╧30 Президиума РАН от 14.01.1955 (оно составлялось А.А. Дородницыным), в котором перечислялись возлагаемые на ВЦ РАН задачи, эта задача была сформулирована как "проведение научно-исследовательских работ в области разработки, обобщения и внедрения методов решения математических задач с применением современных средств вычислительной техники".

Необходимо отметить следующее. Это сейчас мы уже не может существовать без компьютеров. В начале 50-ых годов прошлого века ситуация была совершенно другой. Необходимо было демонстрировать возможности компьютеров. А.А. Дородницын уговаривал руководителей учреждений Академии наук приобретать компьютеры, которые производились в Институте точной механики и вычислительной техники. Уговаривать, однако, пришлось совсем недолго. Уже к концу пятидесятых годов компьютеры в СССР (также, как и все остальное, кроме денег), стали дефицитом. По мере увеличения мощности компьютеров, совершенствования средств программирования, область их применения расширялась. В соответствии с этим, расширялись области исследования, выполнявшихся в ВЦ РАН, расширялся сам ВЦ РАН. В нем образовывались новые подразделения, которые занимались изучением возможности внедрения компьютеров в экономику, социологию, медицину и т.д. Новые подразделения решали ту же задачу, которая была сформулирована А.А. Дородницыным в цитированном постановлении Президиума РАН: они занимались внедрением компьютерных методов в исследования и практическую деятельность в соответствующих областях.

Эта же задача решается научными подразделениями ВЦ РАН в настоящее время. Каждым подразделением - в своей области. Она будет актуальна в той формулировке, которую ей дал А.А. Дородницын в цитированном выше постановлении президиума РАН, до тех пор, пока вычислительная техника будет совершенствоваться с той же скоростью, с которой она совершенствуется с момента ее возникновения: удвоение мощности компьютеров (произведение памяти на быстродействие) каждые полтора-два года. Единственная поправка, которую следовало бы сделать в этой формулировке, состоит в замене словосочетания "современные средства вычислительной техники" словосочетанием "современные средства информатики". Под средствами информатики понимаются "жесткие" и "мягкие" средств сбора, передачи, хранения, обработки информации. В настоящее время эти средства вместе с компьютерами содержат разнообразные, измерительные и телекоммуникационные технические средства, инструментальные программные комплексы различного назначения. Экспоненциальный рост мощности компьютеров, скорости передачи информации по сетям связи приводит к тому, что возможности современных средств информатики используются приблизительно в той же мере, в которой это имело место в пятидесятых года прошлого века, как впрочем, и в течение всего времени с момента изобретения компьютеров до настоящего времени. Поэтому, если трактовать задачу, поставленную А.А. Дородницыным перед ВЦ РАН в момент его создания, как задачу использования возможностей современных средств информатики в разных областях исследований и практической деятельности, то она актуальна и в настоящее время. Характер ВЦ РАН как научно-исследовательской организации, определенный А.А. Дородницыным при создании ВЦ РАН, состоит в отсутствии жесткой привязки исследований к конкретным областям. Конечно, ряд подразделений РАН ориентированы на определенную область исследований. Однако, исследователи ВЦ РАН (до сих пор) сами себе (в основном) выбирают проблемы и задачи. Главный критерий для их выбора - не должно быть ясно, как их решать, при их решении существенно использование компьютерного моделирования и средств информатики, их решение должно способствовать развитию данной области исследований и практической деятельности.

Перейдем (наконец-то) к характеристике кафедры "Математическое моделирование -сложных процессов и систем". Главное, что характеризует кафедру - это то, какие исследования ведут сотрудники кафедры (среди них два академика РАН, один член-корреспондент РАН, два профессора, четыре доцента): что они делают, о том и рассказывают на лекциях, и то будут делать студенты, которыми они будут руководить. Общий характер их деятельности, ее "направленность" описаны выше. Осталось описать "конкретику".

На кафедре две специализации: "Математическая физика" (заведующий специализацией - директор ВЦ РАН, академик РАН Ю.Г. Евтушенко - выпускник кафедры) и "Теория управления и исследование операций" (заведующий специализацией - главный научный сотрудник ВЦ РАН, член-корреспондент РАН Ю.Н. Павловский, которого также можно считать выпускником кафедры). Эти названия, однако, дают мало информации о конкретных направлениях исследований, ведущихся на кафедре. Перечислим названия отделов, в которых работают сотрудники кафедры и коротко опишем направления их исследований. Специализация "Математическая физика" базируется на отделах: "Прикладные методы оптимизации" и "Механика сплошных сред".

В Отделе "Прикладные методы оптимизации" ведутся исследования по следующим направлениям: теория и численные методы оптимизации, в частности, теория и численные методы решения зада линейного и нелинейного программирования, разработка диалоговых систем оптимизации, решение прикладных задач, требующих использования методов оптимизации. В качестве примера такого сорта задач приведем решенную сотрудниками отдела разработанными ими методами задачу оптимального конструирования шпангоутов самолетов, а также задачи оптимизации траекторий самолета, выполняющих определенного типа маневры. Эти задачи были решены в интересах конструкторского бюро им. П.О. Сухого.

В отделе "Механика сплошных сред" основными направлениям исследований являются газодинамические процессы: динамика излучающего газа, динамика плазмы, газовые разряды, процессы в полупроводниковых структурах, процессы в трубопроводах, ударноволновые течения конденсированных сред, моделирование климата и биосферы. Приведем два примера конкретных задач, решенных в сотрудниками отдела разработанными ими методами. Выполнено моделирование Тунгусского явления: определены траектория полета и параметры взрыва Тунгусского метеорита (ядра небольшой кометы, состоящего из рыхлого "грязного" льда), которые дают ту картину вывала леса, которая зафиксирована с помощью аэрофотосъемок. Разработана климатическая модель Земли и с ее помощью открыто явление, получившее название "ядерная зима". Это явление состоит в понижении температуры в приземном слое в результате широко-масштабной ядерной войны, при котором биосфера Земли в современном виде существовать не сможет и большая часть живущих людей погибнет.

Специализация "Теория управления и исследование операций" базируется на отделах "Математическое моделирование экономических систем", "Имитационные системы", "Системы математического обеспечения". Основным направлением исследований в отделе "Математическое моделирование экономических систем" является разработка математических моделей экономических процессов, происходящих в России, разработка компьютерных реализаций этих моделей, выявление с помощью моделей существа явлений, имеющих место в экономике России. В частности, было предсказано все то, что происходило в экономике России в результате так называемой "шоковой терапии" в 90-х годах прошлого столетия, был предсказан кризис 1998 года.

Главным направлением деятельности в отделе "Имитационные системы" является продвижение имитационного математического моделирования (компьютерное воспроизведение течения сложного процесса с помощью его математической модели) в новые области исследований и практической деятельности. Для этого в отделе выполняется комплекс взаимосвязанных исследований. Основные усилия направляются на разработку моделей сложных управляемых процессов в интересах конкретных организаций, разработку компьютерных реализаций моделей в форме имитационных систем и имитирующих комплексов, внедрение в соответствующих организациях технологии анализа и прогноза сложных процессов, основанной на их математической имитации. В частности, исследовалась экономическая динамика древнегреческих полисов (городов-государств) в период Пелопоннесской войны в 431-404 гг. д.н.э с целью восстановления информации об этом периоде истории, которая отсутствует в источниках., процесс эксплуатации сложных технических систем в целях согласования процессов их производства и эксплуатационного обслуживания, вооруженная борьба в космосе с целью оценки возможностей систем противоракетной обороны, а также ряд других процессов. В отделе ведутся исследования по проблеме декомпозиции математических моделей, которые являются методологическим обеспечением деятельности по разработке имитационных систем, исследуются управляемые динамические системы, разрабатываются методы решения оптимизационных и теоретико-игровых задач.

В отделе "Системы математического обеспечения" начиная с конца пятидесятых годов разрабатывались трансляторы. В частности, были созданы трансляторы с языков Алгол-60, APL, Алгол-W, Снобол, Лисп, Модула-2, Геомал. Основными направлениями деятельности отдела в настоящее время являются разработка языков параллельных вычислений, разработка распределенных информационных систем, электронных библиотек. В частности, в отделе разработана интегрированная система информационных ресурсов (ИСИР) и на ее основе реализован информационный портал Российской академии наук. По-видимому, нет необходимости останавливаться на описании курсов лекций, которые читаются в рамках базового цикла обучения. Главной составляющей учебного процесса на кафедре, как на других базовых кафедрах МФТИ, является научно-исследовательская работа студентов. Приведенное выше описания деятельности сотрудников кафедры достаточно ясно характеризует содержание работы студентов. Главное, чему обучают на кафедре "Математическое моделирование сложных процессов и систем" (также, как и на других базовых кафедрах МФТИ), - это решать задачи, которые еще не решены, делать то, что еще не сделано, понимать то, что еще не понято. Другими словами, выполнять научно-исследовательскую работу.

Заведующий кафедрой
Член-корр.РАН Павловский Юрий Николаевич