Освітня програма «Інтелектуальні сервіс-орієнтовані розподілені обчислювання»

Освітня програма орієнтована на вивчення новітніх концепцій і моделей сучасної теорії і практики інтелектуальних обчислювальних середовищ (застосування сервіс-орієнтованих обчислень і архітектур (SOA та SOC), розподілених грід-, хмарних, туманних та безсерверних обчислень в комп’ютерній обробці великих даних і автоматизованому проектуванні; побудова багатоагентських систем і інфраструктур як послуг; використання SOC та SOA в Інтернеті речей.

ОП унікальна для ЗВО України і введена для забезпечення і підтримки участі фахівців предметних галузей України в створенні і експлуатації ресурсів Європейської відкритої наукової хмари (EOSC), в наповненні їх своїми конкретними прикладними додатками, зокрема, шляхом перенесення в хмару своїх існуючих напрацювань з попереднім перетворенням наявних монолітних додатків у сукупність веб-сервісів і наступним розгортанням їх в контейнерах хмари з можливістю автоматичного пошуку.

Об’єкт(и) вивчення та/або діяльності: новітні концепції і моделі сучасної теорії і практики побудови математичного, програмного та апаратного забезпечення комп’ютерних систем та систем штучного інтелекту, включаючи інтелектуальні обчислювальні середовища, які охоплюють розвиток і застосування сервіс-орієнтованих і паралельних обчислень та архітектур (SOA та SOC), розподілених грід-, хмарних, туманних (периферійних) та безсерверних обчислень, сучасних технологій обчислювального інтелекту, нейронних мереж, машинного навчання, нейромереж глибокого навчання, інтелектуальний аналіз надвеликих баз даних та знань (Big Data Mining), семантичних і блокчейн технологій в комп’ютерній обробці великих за обсягом даних і автоматизованому проектуванні; побудову багатоагентних систем і інфраструктур як послуг (IaaS), платформ як послуг (PaaS), програмного забезпечення як послуг (SaaS), даних як послуг (DaaS) для «діджіталізації» суспільства); використання SOC та SOA в Інтернеті речей та в прикладних додатках EOSC.

Цілі освітньої програми:

• підготувати фахівців до успішної професійної інженерної діяльності в галузі теорії обчислень і методів реалізації комп’ютерів та розподілених обчислювальних середовищ; систем штучного інтелекту (ШІ) і нейронних мереж; теорії мов програмування і сховищ даних, на основі широкої поглибленої базової підготовки та здатності швидкого самостійного освоєння нових технологій і систем в даній галузі;
• сформувати професійні компетенції в галузі проектування, розробки, комплексування і супроводу хмарних систем, комплексів і середовищ для високопродуктивної обробки даних на основі паралельних і розподілених архітектур;
• сформувати професійні компетенції в галузі дослідження, створення та використання інтелектуальних систем для вирішення важко-формалізованих задач на основі моделей вилучення та обробки знань в розподілених обчислювальних середовищах.

Унікальність ОП полягає в базуванні на концепціях нової науки про сервіси [12], технології хмарних обчислень, сервіс-орієнтованих архітектури, оброблення великих за обсягом даних, застосування машинного навчання, які є сьогоденними ІТ секторами зростання, яким притаманний високий попит на кваліфікованих ІТ-фахівців, здатних працювати в інтелектуальному розподіленому обчислювальному середовищі.

Теоретичний зміст досліджень в предметній галузі: теоретико-математичні основи побудови та аналізу систем обчислювального інтелекту, організації навчання, включаючи глибоке навчання нейронних мереж різних класів, побудови , навчання та застосування згорткових нейронних мереж та гібридних нейронних мереж в різних предметних областях, зокрема для розпізнаванні образів, класифікації та прогнозування та організації обчислень в розподілених обчислювальних середовищах, включаючи питання їх розпаралелювання і врахування особливостей квантових комп’ютерів; використання семантики і знань в процедурах оброблення даних; удосконалення й пошук альтернатив інтерфейсу користувача з системою на натуральній мові і взаємодії пристроїв між собою в мережі; розвиток мов і парадигм програмування та засобів автоматизації програмування; інноваційних баз даних і знань та ефективного зберігання і пошуку інформації в них; формалізації математичних доказів і логічних висновків; методів і моделей математичного моделювання об’єктів дуже великої розмірності чи в умовах невизначеності та ризику; інтелектуалізації обчислень і об’єктів, що створюються, на базі застосування методів і технологій штучного інтелекту та машинного глибинного навчання; методів та моделей ідентифікації та оптимізації станів та підтримки прийняття рішень для об’єктів різної природи; створення засобів взаємодії з доповненої і віртуальною реальністю як систематизації колективного досвіду; розвиток і використання методів розпізнавання образів та комп’ютерного зору при створенні «розумного» оточення (будинку, транспорту, міста та інше); забезпечення інтеграції та взаємодії додатків в рамках сукупності великої кількості інформаційних систем підприємства або декількох підприємств тощо. Перелічені питання викладаються в низці дисциплін, таких як «Основи сервіс-орієнтованих обчислень і архітектур», «Високопродуктивні розподілені обчислювальні системи», «Методи та технології обчислювального інтелекту», «Оброблення надвеликих масивів даних», «Хмарні технології та сервіси», «Грід-технології для розподілених обчислень та обробки даних», «Вбудовані системи та Інтернет речей», «Веб-проектування та семантичний веб», «Технології побудови розподілених баз даних та знань». «Мультиагентні системи», «Моделювання розподілених систем обробки даних» та інших.

Під час формулювання цілей та програмних результатів навчання проводилися обговорення з здобувачами вищої освіти та випускники програми, які працюють в провідних ІТ компаніях України: EPAM, GlobalLogic, Miratech, Luxoft, CIKLUM, SoftServe, ProFIX, Samsung та інших. При захисті рефератів з нового для ЗВО України курсу «Основи сервіс-орієнтованих обчислень і архітектур» в 2018-2019 роках магістри і аспіранти розповідали про напрямок досліджень і розробок, до яких вони залучені в компаніях; при інструментарій, яким ними користуються; про фахові знання і навички, яких їм не вистачає.

Формулювання цілей та програмних результатів навчання проводилося в активному контакті також з роботодавцями через майже щорічні спільні заходи з Асоціацією «Інформаційні технології України», зокрема, з питань комплексного аналізу рівня підготовки ІТ спеціалістів в Україні, вимог до їх компетентностей. В якості прикладів можна назвати круглий стіл «ІТ освіта та ІТ бізнес: ефективність у взаємодії» ( листопад 2013 р.); круглий стіл «Нові ІТ спеціальності у ВНЗ» ( квітень 2015); форум «Software Development Forum» (жовтень 2018).

В 2017 році з компанією Miratech створена спільна навчально-дослідницька лабораторія, головна мета якої полягає в об’єднанні зусиль для підвищення рівня підготовки випускників. Зокрема компанією підкреслена необхідність приділити увагу інтеграції і взаємодії додатків в рамках сукупності великої кількості інформаційних систем підприємства або декількох підприємств.

Пропозиції з побудови навчання за новим напрямком доповідалися на професійних зібраннях, наприклад, Міжнародній конференції «Обчислювальний інтелект» (Черкаси, травень 2011 р.) і Міжнародній конференції «Системний аналіз та інформаційні технології САІТ-2014», 26-30 травня 2017 року.

Кафедра системного проектування (СП) КПІ імені І. Сікорського разом академічною спільнотою є одним з організаторів і активним учасником становлення грід-технологій в Україні для розподілених обчислень. Ще у 2005 році в Державній цільовій програмі «Інформаційні та комунікаційні технології в освіті й науці на 2006-2010 роки», прийнятій Кабінетом Міністрів України (Постанова КМ України №1153 від 7 грудня 2005 року). Національний технічний університет «Київський політехнічний інститут імені І. Сікорського» виграв тендер проектів з реалізації завдання «Створення національної Grid-інфраструктури для підтримки наукових досліджень» цієї Державної цільової програми, оголошений Міністерством освіти і науки України (договір № ІТ /506 – 2007 від 22 серпня 2007 р.). Куратором проекту Ugrid було призначено проф. Петренка А.І. Він же очолив розгортання суперкомп’ютера НТУУ «КПІ», який деякий час був найпотужнішим комп’ютером в Україні. Була досягнута домовленість з НАНУ і проведене об’єднання існуючих сегментів наукової й освітньої обчислювальної і комунікаційної інфраструктури НАНУ і МОНУ в єдину Українську Національну Grid – ініціативу (UNGI), яка інтегрована в Європейську Grid – інфраструктуру EGEE (Enabling Grids for E-sciencE) і EGI (European Grid Iniriatives). Кафедра СП прийняла активну участь в наступних державних науково-технічних програмах з грід-технологій, зокрема, в комплексній цільовій програмі НАН України «Грід-інфраструктура і грід- технології для наукових і науково-прикладних застосувань »(2009- 2019 роки). Було виконано низку важливих проектів, прикладами яких можуть бути проекти «Сервіс-орієнтоване прикладне програмне забезпечення для інженерних розрахунків на базі веб, грід і хмарних сервісів» (2015-2016 роки) і «Створення і підтримка програмно-сервісних засобів розробки прикладного програмного забезпечення» (2018 р.), «Хмарна платформа для виконання прикладних обчислювальних сценаріїв на основі динамічного оркестрування веб-сервісів з використанням бази знань» (2019 р.).

В результаті виконаних проектів створено нову методологію побудови розподіленої архітектури проблемно-орієнтованого програмного забезпечення для вирішення науково-технічних задач високої складності. На відміну від існуючих підходів, вона дозволяє динамічно синтезувати прикладне програмне забезпечення з наявних у мережі програмних засобів, доступних через інтерфейс веб-сервісів (як SOAP-сервісів, так і REST-сервісів), та залученням високопродуктивних обчислювальних ресурсів як грід-мережі, так і з хмарних інфраструктур, відповідно до конкретних задач та вимог кінцевого користувача, що не є фахівцем з інформаційних технологій. Створено репозитарій сервісів обчислювальних процедур для моделювання складних систем. Розроблено та реалізовано метод постановки на виконання обчислювальних задач з використанням стеку технологій семантичного веб, що, на відміну від існуючих підходів, дозволяє формулювати кінцеву мету обчислень та уточнювати способи її досягнення користувачу, що не має навичок програміста. Конкретний робочий потік з веб-сервісів, які будуть залучені до реалізації обчислювального сценарію, будується автоматично та здатен динамічно адаптуватися відповідно до змін в мікросервісній екосистемі. Результати досліджень втілено у практичній реалізації компонентів програмного комплексу прикладних обчислень.