CC BY
9
<
СП
Начало 50-х гг. прошлого столетия отмечено тем, что кибернетические представления начинают неуклонно пробивать себе дорогу. Инженеры и математики во всем мире активно занимаются разработкой ЭВМ, управляющих систем и устройств, а также программированием. Наукоемкая продукция становится остро востребованной для создания систем комплексной автоматизации управления производством, связи и коммуникаций, развития ракетно-космической техники, оборонной промышленности и др. В это время в Беларуси формируются принципиально новые для республики высокотехнологичные отрасли. Для решения этих задач необходимы были предприятия, осуществляющие полный жизненный цикл товаров - от проек-тно-исследовательских работ до серийного и массового изготовления соответствующей продукции. Так были созданы заводы по выпуску электронных вычислительных машин, микроэлектронных устройств, оптических и радиоэлектронных приборов и систем. Республика становилась лидером в СССР по разработке высокотехнологичных изделий. Свою роль в этом процессе играла и АН БССР. На высоком уровне проводились фундаментальные исследования в области физики, математики, материаловедения, электроники и проч.
В 1957 г. в составе Академии наук создается новое научно-исследовательское учреждение - Институт машиноведения и автоматизации АН БССР.
Исполняющим обязанности директора института назначается талантливый инженер, ученый и организатор науки Георгий Горанский. Возглавив институт, он наряду с формированием коллектива все свои силы и знания отдает становлению нового научного направления в области сложных кибернетических систем, касающихся автоматизации проектно-конструкторских работ в машино- и приборостроении. Небольшая группа молодых энтузиастов под руководством Георгия Константиновича занялась постановкой и решением на ЭВМ ряда инженерных задач в данной сфере.
К этому времени был уже накоплен определенный мировой опыт применения электронно-вычислительной техники для проведения сложных расчетно-аналитических вычислений, связанных с конструированием машин и приборов. Однако Г.К. Горанский и его ученики хорошо понимали, что главный эффект применения ЭВМ может быть достигнут тогда, когда объектом автоматизации станет весь цикл «синтез - анализ - принятие решения», составляющий ядро, саму суть процесса проектирования и конструирования. При этом получаемые результаты должны базироваться на лучших достижениях фундаментальных и прикладных наук в области машиноведения, для описания функционирования объектов проектирования и выполнения необходимых расчетов необходимо задействовать совершенные математические методы и модели,
а результаты автоматизированного проектирования представить в виде автоматически получаемой конструкторско-технологической документации, готовой к непосредственному использованию в производстве. Только в этом случае ЭВМ могла стать действительно эффективным инструментом в руках конструктора и технолога. Сегодня можно удивляться, как удавалось нашим программистам ставить и решать на ЭВМ того уровня столь сложные задачи.
В сентябре 1964 г. во время своего визита в Минск с работами коллектива лаборатории знакомится Президент АН СССР М.В. Келдыш, а уже 8 октября того же года принимается постановление Президиума АН СССР об образовании в Академии наук БССР Института технической кибернетики. Руководство республики поддержало это новое направление в науке, и согласно постановлению Совета Министров Белорусской ССР от 10.02.1965 г. №61 новое учреждение было открыто. Ему было поручено создать теоретические основы автоматизации и методы оптимизации процессов инженерного труда при конструировании изделий и технологической подготовке их производства в машиностроении, разработать специализированный алгоритмический
язык, а также алгоритмы и программы решения задач проектирования и конструирования машин с помощью средств вычислительной техники. Поставленные задачи на многие годы вперед определили тематику, основные направления научных исследований и сферы приложений их результатов.
К середине 1965 г. в институте работает уже 150 человек. Пятилетие 1965-1970 гг. отмечено интенсивным ростом научного потенциала коллектива и началом практического использования его разработок на предприятиях народного хозяйства СССР.
В 1968 г. Г.К. Горанский блестяще защищает докторскую диссертацию в Институте машиноведения АН СССР и в следующем году избирается членом-корреспондентом АН БССР. На основе его научных трудов в институте создаются и получают развитие принципиально новые информационные технологии решения массовых типовых конструк-торско-технологических задач с использованием средств машинной графики, геометрического моделирования и математических моделей оптимизации конструкций и технологических процессов. Новая научная проблематика признается научным сообществом в качестве полноправного раздела академической науки. СИ
У истоков
высоких технологий
Олег СЕМЕНКОВ,
ведущий научный сотрудник ОИПИ, кандидат технических наук, директор Института технической кибернетики с 1970 по 1987 г.
Нельзя сказать, что все шло гладко с внедрением автоматизированных методов проектирования. Часто на предприятиях с недоверием и скепсисом встречали наши разработки, видя в них своего рода конкурентов привычного труда конструкторов и технологов. Этому способствовали и весьма скромные возможности производимых в то время отечественной промышленностью ЭВМ первых поколений - «Минск-1», «Урал». Первые программы автоматизированного проектирования были далеки от совершенства. Каждая из них имела свою систему описания и кодирования исходных
данных, свои массивы справочной информации, формы выходных документов и т.д. Отсутствовали технические средства для получения проектно-кон-структорских документов в виде чертежей. Однако уже первые разработки явились мощным стимулом для дальнейших системных исследований в этой области. Большой вклад в развитие информатики на данном этапе внесли математики-программисты Л.Б. Родцевич и М.Д. Чигирь. Именно благодаря их мастерству и высокому профессионализму были созданы и прошли строгую проверку в производственных условиях первые программы автоматизированного проектирования.
Их оценка в реальных условиях проходила на белорусских предприятиях, которые буквально стали полигоном для испытаний. Особенно тесное сотрудничество в течение многих последующих лет сложилось с Минским заводом автоматических линий. Впервые конструкторы и технологи получили возможность решать практически важные инженерные задачи на основе строгих математических
Директор Института Г. К. Горанский с сотрудниками у одной из первых ЭВМ (1965 г.)
моделей и методов с получением законченной документации. Это вселяло в исследователей определенный энтузиазм и представление о всесилии электронных машин, их способности полностью заменить конструктора и технолога уже в недалеком будущем. Однако очень скоро пришло трезвое понимание того, что ЭВМ - это лишь инструмент в руках специалиста, но никак не замена его творческого труда. И речь должна идти о человеко-машинных технологиях, в которых каждый из участников решает свою часть общей задачи.
Семидесятые годы в истории института отмечены как период интенсивной разработки и апробации в промышленности первых пакетов прикладных программ для автоматизации геометрического проектирования и расчетов зубчатых и червячных передач (Э.Г. Лившиц, Л.Н. Ламбин и др.); технологических процессов (В.Д. Цветков, А.И. Петровский, М.В. Крейцер), расчета режимов резания и нормирования технологических процессов механической обработки деталей (Е.В. Владимиров), штампов (А.Г. Гривачевский), металлорежущих инструментов (Б.И. Синицин), технологической оснастки (А.Г. Ра-кович, В.В. Адамчик), дискретных систем управления (А.И. Добролюбов, С.И. Акунович).
Внедрение этих разработок было буквально поставлено на конвейер. На базе созданного в институте филиала Республиканского фонда алгоритмов и программ РФАП (Е.В. Владимиров) были организованы постоянно действующие курсы обучения специалистов промышленных предприятий методам автоматизированного проектирования. Конструкторы и технологи из различных организа-
Директор института О.И. Семенков докладывает результаты исследований института. В первом ряду слева направо: Президент АН БССР Н.А. Борисевич, Первый секретарь ЦК КПБ П.М. Машеров, Президент АН СССР А.П. Александров (1977 г.)
ций страны в процессе обучения решали конкретные производственные задачи и получали пакет программ с полным комплектом документации. Ученые и специалисты института оказывали всю необходимую помощь в освоении новых информационных технологий проектирования.
Воистину новаторским достижением института стало семейство технических средств машинной графики. Под руководством Е.В. Днепровского создается первый в стране экспериментальный образец чертежно-графического автомата с программным управлением «ИТЕКАН». Уже в 1967 г. были продемонстрированы чертежи, полученные на этом автомате, которые соответствовали всем требованиям машиностроительного черчения. Впоследствии было разработано целое семейство таких автоматов. Документация на различные его модели была передана на ряд предприятий СССР, организовано их серийное производство. Простота конструкции и надежность этих аппаратов в сочетании с развитым программным обеспечением снискали им заслуженную популярность и широкое применение во многих отечественных организациях.
В это же время создаются и начинают серийно производиться на предприятиях страны первые электромагнитные планшетные устройства (Г.И. Алексеев, Э.Н. Леонович), предназначенные для автоматизации ввода и преобразования графических изображений произвольной сложности в цифровые коды и их передачи в ЭВМ. Развитием данного направления стали программно-технические средства цифрового сканирования сложных изображений. Их последующее практическое использование определило успех института в разработке комплекса новых информационных технологий для цифровой картографии, медицины, космических исследований и др.
Одним из прорывных научно-технических проектов того времени можно смело назвать семейство оперативных графических систем, предназначенных для обеспечения взаимодействия специалиста с ЭВМ. В этих системах впервые на микропроцессорном уровне был реализован ряд графических процедур с помощью созданной специальной системы программирования «МЕТАМИКРО», а также разработано базовое программное обеспечение на основе международного графического стандарта ОК5, что позволило выйти на уровень лучших мировых образцов систем этого класса (Е.В. Днепровский, Е.М. Злотник, В.В. Анищенко, Л.А. Гриншпан).
Созданный комплекс программно-технических средств машинной графики позволил открыть в институте на базе ЭВМ «Минск-32» Экспериментальный проектный центр автоматизированного проектирования (В.Н. Заблоцкий). Это была своего
рода площадка для отработки, исследований и интеграции нового класса информационных технологий как основы построения систем автоматизированного проектирования (САПР). Совместно с филиалом РФАП центр активно участвует в переподготовке кадров промышленности с целью освоения и внедрения в производство этих технологий.
К началу 1980-х на Гомельском заводе радиотехнического оборудования началось производство комплексов автоматизированных рабочих мест, предназначенных для комплектования САПР, которые к тому времени начали широко внедряться в различные отрасли промышленности. В институте были созданы базовые программные системы геометрического моделирования деталей и узлов машин (А.Г. Горелик, А.Э. Клевенский), а также автоматизированного получения конструкторско-технологиче-ской документации, соответствующей всем требованиям государственных стандартов (Д.М. Зозулевич). Технологии автоматизированного проектирования выходили на новый уровень своего развития.
В 1977 г. институт посещает Президент АН СССР академик А.П. Александров, который вместе с высшим руководством республики знакомится с разработками института и дает им в целом высокую оценку. Его внимание привлекает экспериментальная система моделирования произвольных гладких поверхностей (В.П. Васильев, Е.А. Ефимов, М.П. Бокуть). Именно ей суждено было стать зародышем нового научного направления - цифровой картографии. Уже вскоре институту по постановлению Правительства Советского Союза поручают разработать для Военно-топографической службы Генерального штаба ВС СССР уникальный по своим масштабам и научной новизне проект - базу цифровых картографических данных для программирования полетов беспилотных летательных аппаратов (научный руководитель - О.И. Семенков, главные конструкторы - А.В. Старцев, О.Г. Протопопов). В 1984 г. основной результат работы был принят на вооружение Советской армии, институт награжден Орденом Трудового Красного Знамени, ученые Б.С. Берегов, Г.Г. Маньшин, О.Г. Протопопов, О.И. Семенков, А.В. Старцев, А.К. Сутурин получили Государственную премию СССР, многие сотрудники удостоены высоких правительственных наград. В дальнейшем развитие этого направления привело к созданию в ОИПИ комплекса новых информационных технологий дистанционного зондирования Земли из космоса, в том числе с помощью белорусского спутника, основанных на методах обработки изображений (С.В. Абламейко, С.А. Золотой, А.Н. Крючков, Н.И. Мурашко, В.В. Старовойтов, А.В. Тузиков и др.). В этом сегменте наше учреждение заняло лидирующие позиции в республике как головной исполнитель белорусской части Союзных программ
космических исследований России и Беларуси.
Новые направления потребовали существенного обновления вычислительной базы. В 1997 г. институт совместно с НИИ ЭВМ и российскими коллегами инициирует проект первой программы Союзного государства России и Беларуси по разработке и производству семейства суперкомпьютеров СКИФ. Как результат реализации этой, а также последующих программ уже в 2005 г. в ОИПИ был создан Республиканский суперкомпьютерный центр коллективного пользования (В.В. Анищенко, А.М. Криштофик, Н.Н. Парамонов, В.И. Стецюренко, О.П. Чиж и др.). Большой вклад в постановку и решение сложных наукоемких вычислительных задач внесли В.И. Махнач, С.В. Медведев. Сегодня этот центр, предоставляя свои ресурсы многим предприятиям и организациям, является вычислительной базой для решения ряда наукоемких задач - от моделирования сложных конструкций до синтеза новых лекарств.
Большую роль в становлении института сыграло созданное в начале 1970-х гг. специальное конструкторско-технологические бюро с опытным производством (СКТБ с ОП). В различные периоды нашим специалистам приходилось работать в условиях конкуренции с лучшими НИИ и КБ передовых отраслей промышленности СССР. И здесь надо отдать должное руководителям СКТБ с ОП и отметить их вклад в обеспечение решения главных задач развития новых научных направлений в институте (С.В. Хинко, В.В. Мышковский, А.Н. Гирявенко, Г.И. Солодкин).
Анализируя полувековой путь, который прошел институт, хочется отметить, что трудами наших ученых, изобретателей, инженеров и программистов созданы замечательные образцы новых технологий. Сегодня наука своими знаниями питает многие сферы жизнедеятельности общества и реального сектора экономики. И главной задачей кибернетики и информатики является превращение этих знаний в новые информационные ресурсы и технологии, обеспечивая тем самым прогрессивное развитие общества. СИ
Члены Ученого совета института (1980 г.)
Вычислительные ресурсы ОИПИ
За время существования института в нем сложился отличный коллектив, в котором работает много талантливых ученых и изобретателей. Они берутся за решение очень серьезных задач и с успехом доводят их до логического завершения. О том, чем живет институт и какой вклад вносит в развитие высокотехнологичного сектора отечественной экономики, рассказывает генеральный директор Объединенного института проблем информатики НАН Беларуси член-корреспондент Александр ТУЗИКОВ.
Александр Васильевич, известно, что институт создавался под выполнение задач по автоматизации проектирования и технологической подготовки производства изделий для машиностроения. Сегодня в арсенале ОИПИ - серьезные разработки в космической отрасли. Как появлялись в учреждении новые научные направления и школы?
- В свое время институт был вовлечен в аналогичные работы для микроэлектроники. Задачи проектирования интегральных схем требовали развития соответствующих разделов математики, математической логики, теории автоматов, создания новых языков программирования. В конце 70-х гг. прошлого столетия нам была поручена ответствен-
ная тема по информационной подготовке полетных заданий крылатых ракет, выполнявшаяся большой кооперацией специализированных организаций. Институт сильно вырос по численности, получал значительное финансирование и серьезно продвинулся в новых для него направлениях, включающих геоинформационные технологии, цифровую картографию, обработку и ввод изображений. В 90-е гг., когда очень остро стояла проблема финансирования, нужно было искать возможности ее решения, и мы сделали это путем расширения тематики исследований, поиска новых потребителей в гражданском секторе. К счастью, руководству удалось найти организационные формы, позволившие сохранить многих квалифицированных специалистов. Научные подразделения остались в структуре учреждения, а те из них, которые ориентировались на потребителей научной продукции, прикладные разработки, выделились в самостоятельные предприятия, оставаясь в рамках научно-исследовательского объединения «Кибернетика». Мы получили больше возможностей для внедрения результатов деятельности института. В конце 90-х активно включились в подготовку и реализацию научно-технических программ Союзного государства Беларуси и России. Институту оказали доверие координировать их выполнение в нашей стране по космической тематике. Удалось наладить сотрудничество с известными российскими организациями в этой сфере, а также самим получить новые результаты в области обработки и анализа спутниковых изображений, разработке информационных технологий, основанных на использовании данных дистанционного зондирования Земли. Эти исследования были поддержаны руководством страны, сформирована и выполнялась до 2012 г. Национальная космическая программа, совместно с российскими партнерами успешно осуществлен проект по созданию и запуску Белорусского космического спутника дистанционного зондирования Земли. Большая заслуга в его реализации принадлежит Национальной академии наук Беларуси, предприятию «Геоинформационные системы» и ОАО «Пеленг».
- Настоящий фурор в свое время произвело создание в ОИПИ суперкомпьютера «СКИФ». Об этом много писали и говорили. Разрабатываются ли высокопроизводительные вычислительные системы сейчас?
- В начале нынешнего века мы сильно отставали в этой области. Существовали также ограничения, которые не позволяли приобретать в Беларусь мощные вычислительные машины. Вместе с российскими коллегами нам удалось серьезно продвинуться вперед. Было разработано семейство кластерных высокопроизводительных компьютеров «СКИФ».
Уже в 2004 г. со своим «первенцем» мы вошли в топ-100 самых мощных суперкомпьютеров мира. Это был действительно успех. Однако создание быстродействующих компьютеров не является самоцелью, а лишь средством для решения вычислительно сложных задач из различных сфер. Следует отметить наши достижения в области суперкомпьютерного трехмерного моделирования машиностроительных изделий и различных их характеристик. Его использование значительно ускоряет и удешевляет процесс разработки, повышает качество и надежность получаемой продукции. В ближайшем будущем цифровые модели будут формироваться и обрабатываться не только для отдельных деталей, но и для сложнейших изделий, а также процессов их работы. Новые возможности появились для решения задач биоинформатики, структурной биологии и медицины. Значительных вычислительных ресурсов требует также решение ряда задач защиты информации и информационной безопасности.
- В этом плане ОИПИ часто сравнивают, а возможно, и путают с ИТ-компаниями. В чем специфика вашей деятельности?
- Дело в том, что выходная продукция института - это в основном научные результаты и программные разработки, которые создаются в научных лабораториях, а вот выход в свет коммерческого ИТ-продукта является уже производственным процессом. В научном учреждении обеспечить его
в полном объеме невозможно по ряду причин. Это сфера деятельности фирм, работающих в области информационных технологий. Нам часто ставят в пример успешность некоторых из них в выполнении зарубежных контрактов и привлечении иностранных инвестиций. Нас радует, что такие ИТ-компании действительно достигли высоких показателей в реализации своих целей и организации бизнеса. Я не сомневаюсь, что наукоемкие проекты в этом сегменте могут выполняться, когда наука и ИТ-бизнес выступят партнерами для их реализации, сотрудничая и отвечая каждый за свой участок работ. Но наши целевые установки все-таки другие - проведение научных исследований, разработка новых технологий, формирование предложений по совершенствованию государственной политики в сфере развития информационных технологий и научно-методическое обеспечение процесса информатизации в стране.
- Тем не менее Институту приходится решать такие важнейшие проблемы, как импортозаме-щение, создание продукции высокого качества, внедрение ее в практику и т.д. В каких отраслях экономики наиболее основательно «прописались» разработки ОИПИ?
- У нашего института сложились очень хорошие деловые отношения с Министерством здравоохранения, Комитетом по здравоохранению Мингорисполкома и медицинскими учреждениями. Мы разработали и внедрили в организациях здравоохранения комплексные информационные системы, поддерживающие обработку, хранение и передачу различных данных, позволяющие улучшить организацию их работы, снизить стоимость некоторых медицинских услуг. В дальнейшем будет создана единая информационная среда в сфере здравоохранения. Хотелось бы отметить также телемедицинские системы по цифровой флюорографии и маммографии, введенные в эксплуатацию в городе Минске. Уже многие годы мы плодотворно сотрудничаем с навигационно-топографическим управлением Генерального штаба Вооруженных Сил Республики Беларусь, в интересах которого созданы специализированные геоинформационные системы. Они достаточно уникальны, чтобы их можно было приобретать у зарубежных производителей. Важно и то, что мы можем расширять возможности таких систем новыми функциями с учетом запросов наших заказчиков. Мне приятно также отметить разработку системы электронного декларирования товаров, выполняемую для Государственного таможенного комитета Республики
Инновационная витрина сектора робототехники лаборатории моделирования самоорганизующихся систем
Сотрудники
лаборатории
биоинформатики
Республиканский суперкомпьютерный центр коллективного пользования
Отдел
интеллектуальных
информационных
систем
Беларусь. Я надеюсь, что у этого сотрудничества хорошая перспектива с учетом того, что наша страна сегодня включена в единое экономическое пространство Евразийского союза.
Кроме того, мы выступаем головной организацией-исполнителем государственных программ научных исследований и государственных научно-технических программ. Отмечу, например, ГНТП «СЛЬ8-ЕИР-технологии», выполняемую в интересах Министерства промышленности Республики Беларусь. В этой программе институт координирует работу различных организаций по созданию современных технологий поддержки жизненного цикла продукции и управления ресурсами предприятий, что значительно повышает эффективность деятельности субъектов хозяйствования.
- Как устанавливаются и развиваются научные, производственные и коммерческие связи с потенциальными заказчиками вашей продукции?
- У нас есть давние партнеры, которые нас знают и заинтересованы в сотрудничестве с нами. У института хорошая репутация и перечень выполненных разработок, что зачастую помогает нам получать новые заказы. Иногда общие интересы выявляются в ходе встреч с разными организациями, и выясняется, что наши знания и заделы востребованы, в итоге это тоже приводит к коммерческим
контрактам. Мы готовы участвовать в международных научных проектах, получать европейские и другие гранты. Но для этого нужно постоянно проводить фундаментальные научные исследования, подтверждать высокий научный уровень публикациями в рейтинговых научных изданиях. Как правило, зарубежные научные фонды поддерживают своих ученых и привлекают иностранцев тогда, когда свои не обладают соответствующей квалификацией или знаниями. Европа тоже не очень-то заинтересована вкладывать средства в белорусскую науку. Европейские программы формируют свой бюджет из отчислений стран - участников сообщества. Наша республика не софинансируети эти программы, поэтому не вправе рассчитывать на серьезную материальную поддержку. Мы, конечно, выполняем несколько международных проектов Европейской рамочной программы, Восточного партнерства. Это сотрудничество имеет очень большое значение для нас, так как позволяет двигаться в одном направлении с европейскими коллегами, но в финансовом плане не является определяющим. Как я уже говорил, очень важно для института участие в реализации программ Союзного государства. Это и серьезные задания, и хорошее обеспечение. Сотрудничество с китайскими партнерами позволило нам реализовать наши научные заделы по цифровой картографии и обработке изображений. Важный проект в области медицинской информатики осуществляется при поддержке Национального института аллергических и инфекционных заболеваний США. Многие сотрудники института имеют научные контакты по всему миру, часто выполняют совместные проекты, получая гранты на научные командировки. Мы заинтересованы также в расширении взаимовыгодного сотрудничества с ИТ-компаниями, работающими в Беларуси, готовы вместе с ними к реализации наукоемких проектов.
- Иногда можно слышать мнение, что наука требует больших расходов из бюджета, а отдача от нее невысокая. Согласны ли вы с таким утверждением?
- Развитие науки является одним из приоритетов государства. Без нее не может существовать сильная и процветающая страна. Трудно представить себе отсталое государство, в котором была бы передовая наука. Но тем не менее многие считают, что наука должна сама зарабатывать себе на существование. Что ж, чудеса, конечно, бывают, но очень редко. Серьезные исследования ориентированы
на будущее, на перспективу. Конечно, есть прикладные проблемы, задачи производства, которые тоже нужно решать. Некоторые из них на самом деле определяют перспективные научные направления, но большинство не требуют для своей реализации
новых знаний и являются проблемами, которые могут быть успешно закрыты инженерами и конструкторами. Производству нужны, как правило, готовые технологии и решения, оно не заинтересовано в развитии науки как таковой. Ошибочно думать, что, выполняя заказы промышленных или других предприятий, ученые смогут обеспечить себе достойное существование. Без хорошей государственной поддержки уровень науки в стране будет снижаться. Если он опустится ниже определенного порога, то дальнейшее воспроизводство научных знаний станет невозможным. Ученые, конечно, не пропадут, они грамотные люди и найдут другие сферы деятельности. От Советского Союза нам достался в целом хороший научный багаж, но, к сожалению, изменилось отношение к самим научным работникам. Перспектива быть ученым и бедным не привлекает молодежь. Многим было бы интересно реализовать себя в науке, но уровень и существующая система оплаты труда в научных учреждениях явно не соответствуют тем требованиям, которые возлагаются на науку в нашем обществе. Мы давно говорим об этих проблемах, но решаются они, к сожалению, крайне медленно. Я считаю, что только государство может и должно поддерживать науку, создавать такие условия, чтобы труд ученых был престижным и хорошо оплачиваемым. Тогда можно будет ожидать и соответствующей отдачи от ученых. Мы прекрасно знаем, что новые технологии появляются в научных лабораториях, а новые научные открытия многократно окупают все затраты, вложенные в них.
- Что определяет дальнейший вектор развития ОИПИ и планы на будущее?
- В институте созданы серьезные заделы, развиваются научные школы, работают талантливые ученые. Подтверждение тому - высокие правительственные награды. К примеру, одна Государственная премия получена за результаты мирового уровня в области теории расписаний и дискретной оптимизации, а другая - за результаты в области обработки и распознавания цифровых изображений и данных. Присуждалась Межгосударственная премия «Звезды Содружества» и премия Правительства Российской Федерации. Это позволяет нам оптимистично смотреть вперед. Конечно, многое зависит от нас самих, от выбора наиболее перспективных направлений исследований и концентрации на них имеющихся ресурсов. Но я также очень надеюсь на серьезную поддержку науки на государственном уровне. Науку легко потерять, но очень трудно потом восстановить. Есть уже ряд подтверждающих это фактов в других странах. Ученые института хотят и могут плодотворно работать на процветание нашей родной Беларуси. СИ
БИОИНФОРМАТИКА И ЗДОРОВЬЕ ЧЕЛОВЕКА
Игорь Том,
заведующий
лабораторией
биоинформатики,
кандидат
технических наук,
доцент
В Беларуси, как и во всех развитых странах мира, все большее внимание уделяется такому современному научному направлению, как биоинформатика, которое представляет собой междисциплинарную отрасль знаний, занимающуюся исследованием, созданием и применением вычислительных, программных средств и методов для расширения использования биологических, медицинских, поведенческих или других данных о здоровье человека, включая их приобретение, хранение, каталогизацию, анализ и визуализацию. Как следует из приведенного определения, сформулированного специалистами «Национальных институтов здоровья» США, био-
информатика в своих исследованиях опирается на современные информационные технологии и соответствующие математические методы для изучения всего комплекса данных о здоровье человека, не ограничиваясь только биологическими. При этом она тесно связана с вычислительной биологией, занимающейся разработкой и применением методов математического моделирования биологических, поведенческих и социальных систем. Несмотря на некоторые отличия в объекте и предмете исследований, оба научных направления активно взаимодействуют для достижения своих конечных целей.
В нашей стране решением задач биоинформатики занимаются специалисты различных организаций, но наиболее известны Институт генетики и цитологии, Институт леса, Институт биофизики и клеточной инженерии, Институт микробиологии, Объединенный институт проблем информатики НАН Беларуси, НИИ прикладных проблем математики и информатики, Белорусский государственный университет, Брестский государственный технический университет, РНПЦ детской онкологии, гематологии и иммунологии, РНПЦ транс-фузиологии и медицинских биотехнологий.
Научным направлением деятельности лаборатории био-
Рис. 1.
Набор данных генной экспрессии и две матрицы согласия для кластеризации на: a) три кластера, б) четыре кластера, с) профили экспрессии генов
информатики ОИПИ, открытой в 1999 г., является создание и развитие современных моделей и методов обнаружения знаний в молекулярно-генетических, эпидемиологических, клинических, лабораторных данных для медицинских и других приложений. А практические разработки ориентированы на создание систем поддержки принятия решений, медицинских регистров, приложений на основе веб-технологий для применения в медицине и других отраслях.
Исследования лаборатории нацелены на использование и развитие как хорошо апробированных статистических, так и на создание новых математических моделей, методов интеллектуального анализа различных видов данных о здоровье человека, которые воплощаются в виде современных информационных технологий и прикладных систем медицинского назначения.
Деятельность лаборатории осуществляется в рамках государственных программ научных исследований, в частности ГПНИ «Информатика и космос, научное обеспечение безопасности и защиты от чрезвычайных ситуаций», подпрограмма «Научные основы информационных технологий». В качестве наиболее значимых достижений хотелось бы отметить непараметрический метод кластеризации генетических данных, основанный на концепции стабильности, который позволяет выявить
существование кластерной структуры в анализируемых данных и определить количество и стабильность кластеров, а также оценить статистическую значимость полученных результатов (рис. 1). Отличительные особенности метода - определение и использование критерия валидации, основанного на энтропии матрицы согласия, и разработанная процедура установления количества кластеров в данных, которые, согласно проведенному тестированию на различных наборах, позволяют повысить адекватность результатов кластеризации. Тестирование метода на нескольких наборах реальных и искусственно сгенерированных данных показало большую его эффективность в сравнении с известными аналогами в части точности оценки, которая соответствует биологическим представлениям специалистов. Метод может применяться для выявления прогностических факторов риска и новых подтипов заболеваний.
Еще один значительный научный результат - алгоритм ранжирования признаков для обнаружения информативных биомаркеров в данных генной экспрессии, позволяющий выделять наиболее информативные гены (рис. 2). Причем стабильность значений рангов отдельных из них обусловлена многократной оценкой выборок из исходной матрицы данных, что способствует получению несмещенных
оценок вектора рангов. Точность классификации является показателем прогностической способности отобранной на очередной итерации комбинации генов. Критерий оптимальности вектора рангов - стабилизация его значений для отдельных генов, что определяется с использованием коэффициента ранговой корреляции Спирмена. Предложенный алгоритм протестирован на международном наборе данных по лейкемии и проведена оценка сходимости алгоритма на примере 20 генов, расположенных вверху ранжированного списка. Биологическая значимость исследуемого подмножества отобранных генов позволяет сделать вывод об их тесной связи с процессами, происходящими в лейкемических клетках. Сравнительный анализ с работами зарубежных авторов показал преимущество нашего алгоритма, с его помощью удалось отобрать наименьшее подмножество из четырех биомаркеров, обеспечивающих такую же или лучшую точность классификации. Область практического использования алгоритма - выявление наиболее информативных прогностических факторов риска.
В лаборатории созданы математические модели выявления морфологических особенностей папиллярного рака щитовидной железы (ПРЩЖ), определяющих инвазивный и метастатический потенциал опухоли у детей и подростков. Исследуемая
группа включала 936 больных ПРЩЖ, облученных в детском и подростковом возрасте в результате катастрофы на ЧАЭС. Все пациенты были прооперированы в Республиканском центре опухолей щитовидной железы в период с 1990 по 2005 г. Степень распространения онкологического процесса оценивалась специалистами в соответствии с требованиями классификации рТЫМ (7-я редакция).
Разработанные модели позволили определить основные клинико-морфологические характеристики, влияющие на прорастание опухоли, локальные и отдаленные метастазы. Были получены зависимости по экс-тратиреоидному росту опухоли, ее региональному распространению и отдаленным метастазам. Предложена и рассчитана модель риска развития рецидивов, получены зависимости, определяющие возможное возвращение болезни после операций различного типа для локо-региональных и отдаленных метастазов.
С 2007 г. лабораторией параллельно с научными исследованиями выполнялось 11 прикладных НИОКР медицинской направленности, 4 из которых завершаются в нынешнем году. Казалось бы, невозможно совместить высокий уровень научной работы с созданием прикладных информационных систем национального масштаба, тем не менее нам пока удается найти золотую середину, хотя это требует все большего напряжения и усилий.
Одним из важных условий плодотворной деятельности лаборатории является сотрудничество с нашими коллегами, работающими в сфере практической медицины и биологии, в частности со специалистами РНПЦ детской онкологии, гематологии и иммунологии, РНПЦ трансфузиологии и медицинских биотехнологий, Республиканского центра опухолей щитовидной железы, РНПЦ
«Кардиология» и др. Обсуждение актуальных проблем здравоохранения находит свое воплощение в выполнении совместных научно-технических проектов. Некоторые из них не имеют аналогов на пространстве СНГ. В частности, Республиканская многоуровневая информационная система и технология диагностики врожденных иммунодефицитов у детей («ImState-Diagnostics»), созданная совместно с РНПЦ детской онкологии, гематологии и иммунологии, предназначена для ввода, хранения, обработки клинических и лабораторных данных пациентов с подозрением на первичный иммунодефицит для предварительной и углубленной диагностики этой патологии у детей с целью их типирования, выявления изменений в иммунном статусе. С ее помощью можно оперативно диагностировать тяжелые случаи врожденного иммунодефицита, что значительно повышает шансы на излечение таких пациентов путем трансплантации гемопоэтической стволовой клетки. Система внедрена в 38 медицинских учреждениях Беларуси.
Специалистами лаборатории биоинформатики совместно с РНПЦ детской онкологии, гематологии и иммунологии создана
автоматизированная информационная система поддержки принятия решения для дифференциальной иммунофенотипической диагностики лейкозов и лимфом (СППР <^1-Ь»). Она предназначена для совершенствования диагностики указанных заболеваний за счет использования оригинальных специализированных моделей принятия решений на основе комплекса иммуно-фенотипических и молекуляр-но-генетических данных. <^1-Ь» относится к классу интеллектуальных систем с эвристическим анализом данных. Достоверность выявления основных типов лейкозов составляет 99,2%. Точность углубленной диагностики - 88,3% для подтипов В-ОЛЛ, 82,6% для подтипов Т-ОЛЛ и 73,2% для подтипов ОМЛ. К настоящему времени система установлена и используется в 3 медицинских учреждениях Беларуси, а к концу 2015 г. будет работать еще в 7 медицинских и образовательных организациях страны.
Совместно с РНПЦ транс-фузиологии и медицинских биотехнологий создана Республиканская информационно-аналитическая система учета и планирования лечебных мероприятий для больных коагулопатиями. Она призвана упорядочить
Рис. 2. Изменение рангов 20 генов в зависимости от количества итераций
и систематизировать данные, имеющиеся в распоряжении областных врачей-гематологов, и путем проведения автоматического расчета количества необходимых препаратов обеспечить достоверность и обоснованность результатов, тем самым повышая уровень оказания индивидуальной помощи пациентам с гемофилией. Система работает во всех отечественных медицинских учреждениях по этому типу заболевания и позволяет автоматизировать процесс ведения регистра пациентов, проводить учет и планирование лечебных мероприятий, индивидуализировать расчет потребности в факторах свертывания крови для больных гемофилией в зависимости от вида коагулопатии, степени тяжести, наличия ингибитора, а также оказываемого вида помощи с учетом возрастных особенностей.
Вместе со специалистами этого же центра разработана Республиканская автоматизированная информационно-аналитическая система посттрансфузионных осложнений. Предназначена для снижения рисков переливания крови, оперативного учета и повышения качества лечения за счет разработки протоколов заместительной терапии и внедрения в организациях здравоохранения Республики Беларусь на рабочих местах врачей-транс-фузиологов. С декабря 2013 г. клиентское приложение системы установлено в 20 медицинских учреждениях страны.
Наряду с коммерциализацией полученных результатов лаборатория биоинформатики активно проводит научную работу. Нельзя позиционировать себя как современное научное подразделение и не иметь публикаций в научных журналах мирового уровня. За последние 5 лет сотрудниками лаборатории было опубликовано более 70 научных работ, в том числе монография, а также свыше 40 статей в международ-
ных научных журналах, в том числе в изданиях с высоким им-пакт-фактором: Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism (IF=6,31), Bioinformatics (IF=4,621), Pain Medicine (IF=2,459), Journal of Bioinformatics and Computational Biology (IF=0,931), Thyroid (IF=4,792), Pediatric Blood & Cancer (IF=2,353), PLoS ONE (IF=4,092), Microbes and Infection (IF=2,8), Leukemia Research (IF = 2,923) и др.
Именно междисциплинарный характер биоинформатики, комплексное изучение разнообразных данных о здоровье человека с использованием альтернативных подходов из смежных научных отраслей может гарантировать получение новых фундаментальных знаний и их применение для практического здравоохранения.
Михаил Белевцев,
заместитель директора по научной работе РНПЦ детской онкологии, гематологии и иммунологии, кандидат биологических наук
Наш Центр уже почти 15 лет сотрудничает со специалистами ОИПИ НАН Беларуси, в частности с лабораторией биоинформатики. Мы охотно идем на контакт с учеными, ведь компьютерные технологии и разрабатываемые на их основе программно-технические средства и информационные системы являются универсальным инструментом, используемым в практическом здравоохранении для формирования структурированных массивов данных, их анализа и принятия решений. За эти годы совместно
было выполнено несколько очень интересных и важных проектов, ориентированных на совершенствование диагностики и лечения тяжелых заболеваний у детей и подростков. В 2001-2005 гг. мы реализовали крупный международный проект МНТЦ по созданию компьютерной информационной системы анализа прогностических факторов риска для больных с острыми лейкозами. На реальных данных удалось выделить новые факторы на этапе индукционной терапии, а также прогнозировать ранний ответ организма на терапию и выход в ремиссию. Эта разработка стала хорошим подспорьем для клиницистов при лечении острых лейко- и миелобластных лейкозов у детей. Большой интерес у специалистов вызывает еще один наш совместный продукт - информационная система раннего выявления врожденных иммуноде-фицитов у детей и компьютерная система дифференциальной им-мунофенотипической диагностики лейкозов и лимфом. Аналогов этим программам на постсоветском пространстве нет. Хочу сказать, что коллеги из лаборатории биоинформатики ОИПИ НАН Беларуси значительно облегчают работу врачей в области анализа медико-биологических данных. Созданная ими система выявления факторов риска обладает рядом очевидных преимуществ, среди которых широта охвата аудитории, простота реализации, малозатратность, гибкость учета специфики заболевания. Имея возможность сбора, хранения и анализа больших массивов данных, мы выходим на качественно новый уровень исследований как в научных изысканиях, так и в решении практических задач, связанных с прогнозированием и принятием организационных решений на административном уровне. СИ
Подготовила Ирина ЕМЕЛЬЯНОВИЧ Фото Владимира ЛЕБЕДЕВА
