Автоматизированные системы для научных исследований 90-х годов
Гуляев Ю.В.

Рассмотрены основные тенденции в развитии автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ). Эти тенденции, естественно, являются отражением общих изменений в развитии информационных технологий, хотя АСНИ имеют свои особенности. Основной тенденцией в соответствии с мировой практикой служит переход в 90-х годах от массового использования персональных ЭВМ к архитектуре гетерогенных сетей. Подчеркнуто, что интеграция разнородных ЭВМ требует, во-первых, определенной методологии и, во-вторых, централизованных усилий. В этом свете рассмотрены задачи, встающие перед Советом по автоматизации научных исследований при президиуме Российской академии наук.

Автоматизированные системы для научных исследований (АСНИ) представляют собой одну из разновидностей автоматизированных систем вообще, таких как САПР, АСУП, АСУТП и др. В то же время АСНИ имеют свои особенности, обусловленные самим объектом автоматизации, научными исследованиями, в первую очередь их эволюционным характером. Необходимостью развития АСНИ, как специальной разновидности автоматизированных систем, было обусловлено создание в 1967 г. Совета по автоматизации научных исследований при президиуме АН СССР, осуществленное по инициативе тогдашнего президента АН СССР академика М. Келдыша. Первым председателем Совета был вице-президент АН СССР, академик В. А. Котельников.

Основная задача Совета состояла и состоит в выработке и проведении технической политики в области АСНИ.

Естественно, что принципы построения, архитектура автоматизированных систем всех типов определяются общим развитием информационных технологий, в первую очередь развитием моделей вычислительных систем.

В развитии моделей вычислительных систем можно выделить определенные "эпохи":

эпоха мейнфреймов — больших ЭВМ с доступом для многих пользователей;

эпоха мини-ЭВМ;

эпоха персональных ЭВМ;

эпоха гетерогенных сетей на базе рабочих станций, работающих по модели клиент — сервер.

Предпочтительные способы использования вычислительных средств за последние двадцать лет

О смене эпох можно судить по изменению объема продаж соответствующих ЭВМ (см. рисунок). На Западе прирост объема продаж мейнфреймов прошел через максимум в начале 70-х годов, мини-ЭВМ — в конце 70-х годов и персональных ЭВМ — в начале 80-х годов. Рост продаж сетевых ЭВМ монотонно растет с конца 70-х годов. Речь идет не об абсолютных объемах, а о приросте продаж в долларах. К сожалению, для России и других республик бывшего Союза такие сводные данные получить не удается, но специальное исследование, проведенное Советом [1J, показало, что в области АСНИ в нашей стране имеется та же тенденция, но с отставанием приблизительно на 10 лет.

О том, что большинство наших организаций, в том числе занимающихся применением ЭВМ в научных исследованиях, находится в "эпохе" 80-х годов, всем известно. На персональных ЭВМ решаются все задачи — от набора текстов до решения сложных систем уравнений, задач визуализации, задач искусственного интеллекта и др. Но все большее число исследователей сталкивается с органичениями, которые имеют персональные ЭВМ. Объединение персональных машин в однородную сеть также не дает кардинального улучшения.

Достаточно очевидно, что спектр задач требует и спектра возможностей вычислительной техники и на сегодня лучшим способом обеспечения этого соответствия служит создание гетерогенных сетей. Любому пользователю сети становятся доступны ресурсы всех машин, входящих в сеть.

Задачами АСНИ в общем случае всегда служили:

сбор экспериментальных данных и управление экспериментальной установкой;

вычислительные работы (обработка и хранение данных, моделирование).

В последние годы важной задачей стало обеспечение так называемых профессиональных коммуникаций: обмен информацией со своими коллегами в других институтах, других странах и на других континентах.

Соответственно задачам можно выделить функциональные подсистемы АСНИ:

подсистема реального времени;

вычислительная подсистема;

подсистема профессиональных коммуникаций.

Подсистема реального времени строится на базе мини-ЭВМ или персональных ЭВМ и интерфейсов ЭВМ с экспериментальным оборудованием. В качестве интерфейсов до последнего времени использовалась и широко используется сейчас аппаратура в международном стандарте КАМАК, платы в стандарте шины ЭВМ и платы в стандарте приборного интерфейса [1 ]. При повышении требований в области задач реального времени (уменьшение времени реакции) должен осуществляться переход на интерфейсы нового поколения, так называемые магистрально-модульные мультипроцессорные системы (МММС) [2]. Наибольшее распространение в мире получила МММС в международном стандарте VME (Versabus Module Europe-bus).

Вычислительная подсистема должна строиться на базе локальной гетерогенной сети, которая может состоять из ЭВМ всех классов, но основным элементом должны служить рабочие станции, работающие под управлением операционной системы UNIX. В подсистеме должна быть реализована модель клиент — сервер, т. е. такая топология и организационная структура сети, когда задачи различных типов распределяются между машинами в соответствии с их возможностями и функциями.

Подсистема профессиональных коммуникаций должна реализовываться на базе так называемых территориальных или глобальных сетей, использующих проводную или спутниковую связь [3 ].

И, несомненно, все подсистемы должны быть интегрированы и, что очень важно, система в целом должна быть "прозрачна" для пользователя.

Таким образом, АСНИ 90-х годов должны представлять собой интегрированную систему на базе локальных и территориальных сетей.

Действительно, так и строятся АСНИ в исследовательских центрах за рубежом. В качестве примера может быть приведена АСНИ в университете г. Санта-Круц, которая рассматривается как типовая [4 ].

В нашей стране наиболее продвинуты в этом направлении крупные центры, в первую очередь ядерного профиля, такие как Объединенный институт ядерных исследований в г. Дубна. Крупный объединенный проект представили институты физического профиля, расположенные в г. Троицке Московской области. В большинстве же учебных и академических институтов такого рода интегрированные АСНИ практически отсутствуют, проблема решается лишь фрагментарно. Создаются лишь те подсистемы, без которых выполнение исследований невозможно и, в основном, на базе персональных ЭВМ.

Основная причина, безусловно, состоит в бедственном положении науки в нашей стране.

Вторую причину можно назвать психологической: удовольствие от пользования персональной ЭВМ, перекликаясь с центробежными тенденциями в социальной сфере, пока еще перевешивает желание объединяться. Ученые понимают, что интеграция неизбежно ведет к необходимости выделения средств на общие нужды, например на прокладку сети, а также к необходимости некоторого централизованного администрирования.

И, наконец, третья причина — чисто научно-техническая и связана с тем, что интеграция разнородных машин в единую систему — сложная задача.

Таким образом, необходимо решить задачу создания методологии построения и использования интегрированных АСНИ на основе локальных и территориальных сетей. Основой такой методологии должна служить технология Открытых Систем.

Открытой Системой называется система, все аппаратные и программные компоненты которой взаимодействуют друг с другом через международные стандартные интерфейсы [5—7].

Реализация Открытой Системы обеспечивает "прозрачность":

переносимость прикладных программ, данных и персонала между различными платформами системы;

взаимодействие прикладных программ и систем.

В переходе к Открытым Системам заинтересованы пользователи, разработчики программного обеспечения, поставщики систем.

Для пользователей основное достоинство Открытых Систем состоит в сохранении предыдущих вложений в систему, что обеспечивается возможностью развивать систему по мере появления новых средств. Обеспечивается независимость от конкретного поставщика. Таким образом, минимизируются потери, связанные с техническим перевооружением, когда старое оборудование уже не работает, а новое еще не введено в строй. Открытость системы обеспечивает эволюционный характер развития системы, а это особенно важно для АСНИ ввиду эволюционного характера, самих научных исследований.

Для разработчиков программного обеспечения и поставщиков систем использование технологии Открытых Систем также имеет ряд преимуществ:

возможность поддерживать различные платформы и поколения платформ от различных поставщиков, тем самым увеличивая объемы продаж;

эффективность обслуживания и поддержки вследствие наличия интерфейсов к различным платформам.

Поставщики систем, естественно, расширяют свой рынок.

И, наконец, разработчики стандартов, а также большое число международных и национальных организаций могут проверять свои решения.

Развитие Открытых Систем имеет свою историю. Хотелось бы упомянуть одну из первых попыток создания открытой АСНИ в Институте автоматики и электрометрии СО АН, основанную на так называемой унифицированной магистрали системного обмена, базирующейся на аппаратуре КАМАК. Эта работа была поставлена еще в 70-х годах [8 ], значительно опередив время. Представляется, что одной из главных причин того, что эта работа не получила широкого развития, явилась слишком большая приверженность отечественных поставщиков средств вычислительной техники тех лет к ведомственным стандартам.

Сложность реализации технологии Открытых Систем состоит в следующем.

Во-первых, еще не устоялись сами понятия и терминология, что требует определенной работы.

Во-вторых, в этой области приняты или находятся в процессе разработки более 1000 стандартов, в результате создается путаница в них и их применении.

В-третьих, сама технология построения Открытых Систем развита не настолько, чтобы давать готовые решения на все случаи жизни. Имеются лишь модели, носящие, скорее, описательный характер. Одной из таких моделей является так называемая среда MUSIC [7 ], описывающая основные компоненты Открытых Систем. Имеются рекомендации по последовательности шагов при построении Открытых Систем.

Сложно создать эффективно работающую Открытую Систему. Завершающим этапом при решении конкретной прикладной задачи служит создание так называемого функционального профиля, т. е. выбор совокупности стандартов для данного применения. Это трудная задача, если учесть наличие более 1000 стандартов, не всегда согласующихся между собой.

Работы по развитию Открытых Систем и стандартов, на которых они строятся, так же, как и в международных организациях, должны вестись по следующим направлениям [9]:

термины и их определения;

взаимодействие Открытых Систем;

программная инженерия;

языки и системы программирования;

интерфейсы пользователь — программа — система;

интерфейс мобильной операционной системы для компьютерных сред (Portable operating system Interface for computer environments — Poxix);

интерфейс системного программного средства (System Software Interface — SSI); обработка документа и связанная с ней коммуникация; мультисреды, интерсреды, интертексты, интеркоды и др.; наборы символов и кодирование информации;

представление элементов данных; база данных и знаний; компьютерная графика; электронный обмен данными; методы и средства зашиты информации;

функциональные стандарты — профили (Functional Standartization-Profiles).

Из изложенного ясно, что в области АСНИ мы стоим перед необходимостью перехода к новой эпохе построения систем — создания гетерогенных систем на базе локальных и территориальных сетей. Эта тенденция является общей и для компьютерных систем- другого назначения, например в космических системах сбора данных о Земле.

Основной методологией создания таких сетей служит технология Открытых Систем, которая еще требует своего развития. Работы по развитию Открытых Систем ведутся в отдельных организациях, в основном в академических институтах, входящих в Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации, таких как Вычислительный центр РАН, Институт проблем кибернетики, а также в Российском НИИ информационных технологий и систем автоматизированного проектирования, в ряде вузов. Но, безусловно, нужна более широкая и скоординированная программа действий с финансовой поддержкой государства. В связи с этим Совет по автоматизации научных исследований при президиуме РАН проявил инициативу в формировании национальной Программы по развитию Открытых Систем.

В этой Программе должен быть предусмотрен комплекс научно-технических и организационных мероприятий, объединяющих основные аспекты проблемы, включая обучение и пропаганду.

Соответственно, Программа должна объединять основные категории специалистов:

пользователей, работающих в конкретных прикладных областях; разработчиков программного обеспечения; производителей вычислительной техники.

Необходимым, безусловно, представляется участие вузов, а также тесное сотрудничество с международными организациями, занимающимися развитием Открытых Систем, и отдельными зарубежными фирмами. К таким фирмам относятся Sun Microsystems, Digital Equipment Corpotation, Hewlett Pacckard и другие фирмы, являющиеся приверженцами Открытых Систем. В настоящее время особенно перспективно сотрудничество с Sun Microsystems. Эта компания контролирует 40 % рынка рабочих станций на базе так называемых SPARC-процессоров, развивает сетевые вычисления — Open.

В 1992 г. Совет совместно с рядом других организаций наладил льготную поставку рабочих станций Sun для академических, учебных и других исследовательских организаций, провел ряд семинаров и совещаний по АСНИ 90-х годов.

Учитывая изложенное, можно констатировать следующее:

проведение большинства фундаментальных и прикладных научных исследований в большей степени определяется уровнем их информатизации;

проблема автоматизации научных исследований формулируется как интегрированное применение средств вычислительной техники и коммуникаций для повышения эффективности научных исследований и является междисциплинарной;

интегрированные АСНИ нового поколения должны строиться как гетерогенные системы на базе локальных и территориальных сетей;

в основе методологии построения АСНИ нового поколения должна лежать технология Открытых Систем;

переход к новым принципам построения систем представляется актуальным не только для АСНИ, но и для информационных систем других применений и, таким образом, крайне важным для информатизации России в целом,в соответствии с чем стоит проблема формирования национальной программы по "развитию Открытых Систем" с широким участием;

национальная Программа должна быть тесно связана с международным сотрудничеством в данной области.

Совет по автоматизации научных исследований при президиуме РАН готов к самому широкому сотрудничеству в этой области.

ЛИТЕРАТУРА

1. Г у л я е в Ю. В., Ж у р а в л е в Е. Е., О л е й н и к о в А. Я. Актуальное состояние работ по автоматизации научных исследований в академических институтах: Тр. XV Международного симпозиума по ядерной электронике и Международного симпозиума КАМАК-92. Варшава, 29 сентября — 2 октября 1992 г., Дубна, 1993. С. 6—21.

2. Мячев А. А., Степанов В. Н., Щ е р б о В. К. Интерфейсы систем обработки данных: Справочник. М.: Радио и связь, 1989.

3. Международный коллоквиум "Новые информационные технологии": Доклады. М., 21—26 октября 1991 г.

4. В а г а п N. Two Worlds Converge. Byte, Febmare 1989. P. 229.

5. Guide of Open System Actors, Prinded by Aubin Imprhneur.

6. П о п о в Э. В. Открытые вычислительные системы на базе рабочих станций Sun// В сб.: Материалы семинара "Открытые Системы". М., 1992, Центральный Российский Дом знаний. С. 10—16.

7. Open Systems Handbook: A Guide to building Open Systems, DEC 1991.
8.Нестерихин Ю. E. и др.// Автометрия, 1974, №2, с. 3.

9. Мкртумян А. А. Международная стандартизация в области информатизации на базе концепции открытых систем: Материалы семинара "Открытые Системы". М., 1992, Центральный Российский Дом знаний. С. 27—29.

______________________________________
Ю. В. Гуляев - академик РАН

---

&copy Информационное общество, 1993, вып. 1-2, с. 46-51.