Private:NFNI-2009

Предложение за проект по Тематичния конкурс на Националния фонд за научни изследвания, "Насърчаване на научните изследвания в приоритетни области" http://nsfb.net/?id=1228

Обща информация

Заглавие

Българско: .....................................................

Английско: .....................................................

Приоритетна област

4. Информационни и комуникационни технологии

Научен ръководител

Красимир Атанасов

Анотация

Анотация (до 1800 знака) изследователски цели, използувани методи, очаквани резултати

Ключови думи

• Обобщени мрежи, Моделиране, Симулация, Оптимизация, Софтуерна разработка
• Генетични алгоритми, ГРИД-среди, Експертни системи, Машинно обучение, Мравчени колонии, Невронни мрежи, Разпознаване на образи, Разпознаване на говор

Научен колектив

Списък на партньорски организации / имена

Организация	Имена	Брой учени	Брой млади учени
1. Централна лаборатория по биомедицинско инженерство, БАН	ст.н.с. I ст. дмн дтн Красимир Атанасов	15	8
	ст.н.с. I ст. дтн Стефан Хаджитодоров
	ст.н.с. II ст. д-р Олимпия Роева
	ст.н.с. II ст. д-р Таня Пенчева
	доц. д-р Евдокия Сотирова
	доц. д-р Даниела Орозова
	н.с. I ст. д-р Людмила Тодорова
	н.с. I ст. д-р Христо Аладжов
	д-р Боян Колев
	Десислава Пенева, докторант
	Павел Чешмеджиев, докторант
	Евгени Попов, докторант
	Ивелина Вардева, докторант
	Димитър Димитров
	Вася Атанасова
2. Институт по информационни технологии, БАН	ст.н.с. II ст. д-р Георги Глухчев	2	0
	ст.н.с. II ст. д-р Мариана Василева
3. Институт по паралелна обработка на информацията, БАН	ст.н.с. II ст. д-р Стефка Фиданова	3	0
	ст.н.с. II ст. д-р Тодор Гюров
	ст.н.с. II ст. д-р Пенчо Маринов
4. Математически институт, БАН	ст.н.с. II ст. д-р Стоян Порязов	2	0
	ст.н.с. I ст. Емилия Саранова
5. Факултет по математика и информатика, Софийски университет	доц. д-р Магдалина Тодорова	4	2
	доц. д-р Боян Бончев
	ас. Трифон Трифонов
	ас. Калин Георгиев
6. SoftConsultGroup Ltd	Ивайло Иванов	2	0
	?
		28	10

• Институт за системни изследвания, Полска академия на науките
  • Prof. Maciej Krawczak
• Дрезденски университет
  • Евелина Койчева, докторант
• Warrane College
  • Prof. Anthony Shannon

За всяка от партньорските организация трябва да се напише текст (макс. 1800 знака) с конкретни действия от страна на кандидатстващата организация за подпомагане изпълнението на проект

Описание на проекта и научната програма

Състояние на научните изследвания по темата на проекта

Състояние на научните изследвания по темата на проекта в България и чужбина и актуалност на научната проблематика (до 2 страници)

Областта на математическото моделиране със средствата на обобщените мрежи (ОМ) датира от 1982 година, когато те са дефинирани в България от Красимир Атанасов като разширение на мрежите на Петри и останалите, съществуващи към момента други техни разширения. ОМ са инструмент за моделиране и оптимизация на паралелни и конкурентни процеси в сложни системи, и решаване на задачи, за които други средства като блок-схеми, мрежи на Петри, системи диференциални уравнения и други, се оказват неприложими или неефективни.

Теоретични изследвания

Най-общо казано, мрежата на Петри е двуцветен ориентиран граф, в който се движат точки, условно наречени "ядра", които маркират развитието на процес, стъпките на който се представят чрез върховете на графа. Мрежите на Петри са първото средство за описание на паралелно протичащи процеси. Поради слабите им моделиращи възможности, през 1970-те и първата половина на 1980-те години те стават обект на повече от 20 различни разширения. Към съществуващите до 1982 г. разширения на мрежите на Петри вече бяха добавени моменти от време, в които да се придвижват ядрата; продължителности на това придвижване; цветове, с които ядрата да се оцветяват, за да станат различими; условия (по едно за всяка отделна група), които да са изпълнени, за да могат група ядра да преминат от едни върхове на графа в други.

Това, че ОМ действително са обобщение на мрежите на Петри се изразява във факта, че ядрата на ОМ влизат в мрежата, но вече с начални характеристики, а по време на движението си в мрежата получават нови характеристики, запазвайки предишните. Така ядрата се превръщат в "индивиди" със собствена история. Условието от предикатно-преходните мрежи, свързано с движението на ядрата, тук е заменено с цяла матрица от условия, която позволява много по-детайлно описание на причините за движение в различните възможни посоки. Освен дискретното време, в което протичат процесите в мрежите на Петри, в ОМ е добавена и абсолютна времева скала, по която може да се отчита времето на функционирането на мрежата.

През следващите 27 години бе изградена сравнително цялостна теория на ОМ. Бяха установени връзките между ОМ и другите видове мрежи на Петри, а също така, между ОМ от една страна и от друга страна - машините на Тюринг и крайните автомати. Бяха описани специални ОМ, които са универсални за всеки един от видовете разширения на мрежите на Петри. Специално трябва да се отбележи, че голяма част от разширенията на мрежите на Петри (в т.ч. ОМ) са съществени разширения, т.е., могат да се посочат примери на процеси, описуеми чрез съответното разширение, но неописуеми чрез мрежа на Петри. Значителна стъпка за утвърждаването на теорията е поредицата от доказателства, че всички известни до момента разширения на ОМ са консервативни, т.е. за всяко такова разширение може да се конструира ОМ, която описва функционирането и резултата от работата му.

Теорията на ОМ бе обогатена с алгебричен, топологичен, логически, операторен, програмен и методологичен аспекти. Важно е да се отбележи, че към 1982 г. в теорията на мрежите на Петри все още не са правени почти никакви изследвания в тези посоки. Например, в рамките на алгебричния аспект на теорията на мрежите на Петри, бяха дефинирани операции над преходите на мрежа, но не и над цели мрежи, нещо, което бе предложено в теорията на ОМ за пръв път. Също за пръв път, в теорията на ОМ са разработени топологичен и логически аспекти. В рамките на операторния аспект, разработен за целите на ОМ, са дефинирани шест вида оператори, които могат да модифицират структурата или поведението на дадена ОМ по желан от потребителя гъвкав начин.

Практически приложения

Почти от самото начало, наред с теоретичните изследвания и изграждането на математическия апарат на ОМ, се конструират приложни ОМ-модели на процеси от различни научни и индустриални области като медицина и биотехнологии, химическа и петролна индустрия, транспорт, логистика и управление на складови стопанства, физика и астрономия, телекомуникации, администрация и електронно обучение. Например, от 1983 г. насам са създадени над 800 ОМ-модела на процеси на поставяне на медицински диагнози.

Конструирани са десетки ОМ-модели и в онези области от информатиката и изкуствения интелект, които са изведени като приоритетни за настоящото проектно предложение. По-специално, могат да се цитират ... статии и ... монографии, описващи ОМ-модели на експертни системи и специализирани бази от данни, невронни мрежи (предстои публикуването на нова монография по тази тема от членове на колектива), системи за вземане на решения и оптимизация, разпознаване на образи, процеси в машинното обучение, генетични алгоритми, гъвкави автоматизирани производствени и роботизирани системи. За всяка от споменатите групи обекти е показано, че съществува ОМ, описваща функционирането и резултатите от работата им, т.е. апаратът на обобщените мрежи успешно може да послужи за моделирането и симулацията на всички тези обекти, въпреки тяхната разнородна природа, математическа теория и програмна реализация. Тези научни резултати, постигнати със съществения принос на изследователския колектив по проекта, се явяват една от най-сериозните предпоставки за участието в настоящия конкурс с така дефинираните в проекта цели и задачи.

Разпространение и актуалност на проблематиката

През 1991 година първата монография върху теорията на обобщените мрежи е публикувана от едно от най-влиятелните издателства за научна литература, World Scientific. Две години по-късно като нейно продължение е издаден сборник със статии от 32 автори върху приложенията на обобщените мрежи в изкуствения интелект, наукометрията, икономиката, индустрията, транспорта, медицината и компютърните науки. Един раздел от книгата е посветен на приложения на ОМ при решаване на задачата за търговския пътник, при моделиране на експертни системи и разширяване на това понятие с допълнители компоненти, разпределени бази данни, бази от знания, невронни мрежи и търсене на път в лабиринт.

Съгласно обзорно-библиографската статия [], към средата на 2007 г., резултати от областта на ОМ са публикувани в над 640 статии и са докладвани пред над 30 конференции в България и чужбина.

Към 2009 година, популярността на ОМ в световен мащаб е нараснала многократно. Работят повече от 10 изследователски групи от Австралия, Великобритания, Полша, Португалия, САЩ, Южна Корея и други страни, публикувани са над 20 монографии (от които 16 в България, 3 в Австралия, 2 в Полша), защитени са над 25 дисертации за придобиване на образователната и научна степен "Доктор" (Dr of Philosophy, понеже 3 от дисертациите са защитени в Австралия) и две дисертации за придобиване на научната степен "Доктор на техническите науки", една от които е на полски специалист. ОМ са включени в тематиките на множество конференции: във Фуншал, Мадейра през 2003 г., в Лондон, Великобритания през 2006 г., конференциите "Intelligent Systems" на IEEE. Специалидирани конференции по ОМ се провеждат ежегодно в България и Полша, съответно от 2000 и 2001 г. Следователно има основания да се смята, че по наукометричните си показатели областта на ОМ се радва на популярност и актуалност.

Програмна реализация

Другото много сериозно основание за актуалността на проблематиката е назрялата необходимост множеството конструирани през годините приложни ОМ-модели да получат своята програмна реализация и практическата демонстрация на предимствата на този инструментариум, изведени на теоретично ниво с математически средства.

След първите опити от 1987-88 г. за разработване на симулатор на Turbo Prolog 2.0, следват още два опита: през 1991-92 г., под Turbo Pascal 7.0 и през 2000 г., под Delphi и специално разработен вътрешен език за описание на моделите. По различни причини (от ненаучно естество), и трите пъти разработката на пакета за ОМ е изоставяна преди да бъде изготвен окончателен прототип, за да започне впоследствие наново, от нов екип разработчици, под нов език за програмиране и съобразно новите елементи, настъпили междувременно в теорията на ОМ. През 2005 година започва разработката на четвъртото поколение софтуерен симулатор за ОМ, програмиран на C++, Java (...) с елементи на XML, JavaScript (...). Освен с избора на тези съвременни, гъвкави, отворени за надграждане и популярни програмни езици, новата платформа наречена GNTicker се отличава и с много по-напредналия стадий, до който е доведена, в сравнение с предшествениците си, както и с имплементирането на повече нови аспекти от теорията на ОМ, и алгоритми с по-високо бързодействие. Положителен аспект е и това, че екипът от разработчици на GNTicker се състои само от млади хора, завършили следването си по информатика с отличие, и предпочели да се завърнат в България, въпреки специализациите си и възможностите за успешна реализация в чужбина. Всички те са включени в колектива на настоящото проектно предложение. Друга положителна страна на настоящата програмна реализация в сравнение с предишните е постигането на съгласие сред разработчиците за авторскоправния статут на симулатора, един въпрос, който добива все по-растящо значение и актуалност в средите на софтуерните разработчици. Стигна се до единодушното решение когато приключи работата по симулатора в края на първия етап на проекта, той да се публикува под отворен код, което да поощри разработката му и от трети страни, включително от чужбина, да спомогне за популяризирането на апарата за обобщени мрежи и за изграждането на по-широка и устойчива общност от потребители и разработчици. Публикуването на софтуера под отворен код е и съществена стъпка по осъществяването на трансфер на знания и постижения от научния колектив по проекта към други научни колективи, към бизнеса и обществото като цяло.

Цели на проекта

Цели на проекта (до 1 страница)

Проектът има три основни, ясно разграничими цели:

1. Успешно да се финализират дългогодишните опити за програмна реализация на теорията на обобщените мрежи.
2. На тази основа да се осъществят на практика, под формата на софтуерни продукти, някои от идеите за приложения на ОМ в области от изкуствения интелект, информационните и телекомуникационните технологии, които понастоящем съществуват само във вид на абстрактни модели.
3. Да се разпространят резултатите от работата по време на проекта, както по посока външни за проекта научни организации и предприятия, така и по отношение на други приложни области, в които екипът вече има постигнати теоретични резултати.

Първите две цели се явяват централни, съответно за първия и втория етап от проекта. Третата цел под различни форми ще се изпълнява през цялото време. Ясното разграничение на целите е видно не само от съществуващата между тях причинно-следствена връзка, но и чрез разпределението на дейностите и човешките ресурси.

Първата цел на проекта е да се доведат до успешен край дългогодишните опити за разработка на софтуерна платформа за ОМ-моделиране и симулация.

Първите опити за създаване на такава платформа датират от средата на 1990-те години и понастоящем се работи над четвъртото, и най-перспективно от технологична гледна точка, поколение софтуер за ОМ, който се пише на съвременни популярни и динамично развиващи се програмни езици като C++, Java, XML,... Към момента в известна степен са разработени и сървърната, и клиентската част на платформата и е изготвена спецификация и работен план за оставащите задачи (например създаване на гъвкав потребителски интерфейс, туулбокс за Matlab/Octave за ОМ, детайлна софтуерна документация и др.).

Финализирането на работния план е изключително важна цел, която стои не само пред участниците в проекта, но и в по-общ план пред цялата българска и световна общност на ОМ-моделиране. От изпълнението й зависи не само изпълнението на проекта, но в известен смисъл и бъдещето на тази научна област, която има широкопризнат приложен потенциал, но към момента в по-голяма степен е развита в теоретичен аспект.

Втората цел на проекта е, разполагайки със завършения през първата фаза програмен пакет за ОМ, да се доведат до вид на работещи симулации множеството конструирани и планирани за разработка през втория етап на проекта абстрактни модели. Изпълнението на тази цел е от също толкова критично значение за областта на ОМ, понеже ще даде възможност в голям мащаб да се демонстрират доказаните с математически методи предимства на моделирането с този инструментариум и да се извлекат ползите от тях. Към момента са правени няколко софтуерни симулации на ОМ-модели, сравнително опростени откъм постановка и/или изпълнение, поради ограниченията наложени от недовършената работа по пакета. Дори и при такива условия обаче апаратът на ОМ е давал по-добри резултати от апарати като системи диференциални уравнения, мрежи на Петри, ................

Въпреки че апаратът на ОМ е намерил приложение в много и разнообразни области като медицина и биотехнологии, химическа и петролна индустрия, транспорт и комуникации, физика на частиците и астрономия, икономика и управление, електронно обучение и др., настоящият проект застъпва само приложенията от областта на информатиката, изкуствения интелект и информационните и комуникационни технологии. До практическо тестване и симулация ще се доведат ОМ-модели на невронни мрежи, техники за разпознаване на образи и реч, генетични алгоритми, алгоритми за оптимизация по модела на мравчените колонии, грид-среди, бизнес процеси и модели в телекомуникациите. С този подбор на целевите области, освен че проектът се вписва изцяло в тематиката на конкурса, но и изследванията ще послужат като основа аналогична работа в гореспоменатите странични области на приложение на ОМ.

Третата цел на проекта е разпространението на информация за ОМ, на софтуерната платформа за моделиране и симулация и на приложните резултати от проекта. Предвижда се този целенасочен трансфер на знания и постижения да се проведе в следните четири направления: (1) контакти с предприятия и бизнес организации, които могат да дефинират задачи и проблеми от компетенцията на екипа, решими със средствата на ОМ; (2) контакти и научно-обучителни семинари с български и чуждестранни научни екипи, които се занимават с мрежи на Петри и други по-слаби апарати за математическо моделиране; (3) публикуване на научни статии в списания и конференции, поддръжка на информационен уебсайт и провеждане на годишните международни работни срещи по ОМ, (4) публикуване на разработения софтуер и документацията към него под отворен код и свободен лиценз.

Обособяването на тези четири лъча от дейности по трансфер на знания и постижения като една от трите главни цели на проекта е необходимо, понеже отразява и моментното състояние на областта на ОМ-моделиране. Теоретичните аспекти на областта са детайлно разработени и подкрепени с множество научни статии и монографии. Работено е много и в приложен аспект, въпреки че конструираните модели са все още на ниво описание, но не и програмна реализация. До момента обаче в най-малка степен са полагани усилия получените резултати да се промотират и апаратът на ОМ да се налага като предпочитан инструмент при моделирането, симулацията и оптимизацията на сложни системи с протичащи паралелни и конкурентни процеси. Планираните дейности за изпълнението на тази цел ще допринесат както за максимизиране ефекта от проекта, така и за устойчивото развитие на цялата научна област. Тъй като част от тези дейности не са пряко свързани с резултата от работата по първите две приоритетни цели, те могат да се извършват и паралелно, по време на всеки от двата етапа на проекта.

Описание на изпълнението на проекта

Описание на изпълнението на проекта (до 12 страници)

Видове дейности

• Софтуерна разработка
  • Довършване на клиент-сървърната част на пакета според предварителна спецификация
    • Създаване на тестови модели
    • Визуализация на резултатите, потребителски интерфейс
    • Рабработка на toolbox за Matlab / Octave
    • ...
  • Изготвяне на единна техническа документация за програмисти и помощна документация за потребители
• Моделиране и симулация
  • Провеждане на интервюта между експерти и моделиери, конструиране на нови модели
  • Описание в термините на програмния пакет на моделите (и новосъздадените, и предхождащите проекта)
  • Тестване и симулация на моделите с реални данни
  • Описание и анализ на резултатите
• Други теоретични изследвания в областта на обобщените мрежи
• Разпространение на резултатите
  • Провеждане на годишните работни срещи по ОМ в България и Полша, както и на обучителни семинари
  • Докладване на резултатите на международни конференции
  • Писане и публикуване на статии, компендиум от статиите по проекта в края му
  • Поддръжка на информационен уебсайт, изготвяне на информационно-промоционални материали
• Дейности по управлението на проекта
  • Регулярни срещи на екипа, координация чрез пощенски списък
  • Изготвяне на тримесечни отчети

Връзки между видовете дейности по проекта. Откроени са тези от тях, които пряко отговарят на трите основни цели на проекта.

Очаквани резултати

Очаквани резултати и ефект от изпълнението на проекта, потенциал за трансфер на знания и приложимост на резултатите (до 2 страници)

План за разпространение на резултатите

План за разпространение на резултатите (до 2 страници)

Участие в конференции

Време	Конференция	Място
2010, март 15-20	3rd International ICST Conference on Simulation Tools and Techniques (SimuTools'2010)	Малага, Испания
2010, юни	31st International Conference on Application and Theory of Petri Nets and Other Models of Concurrency (Petri nets'2010)	Брага, Португалия
2010, юни	10th International Conference on Application of Concurrency to System Design (ACSD'2010)	Брага, Португалия
2010, юни 22-25	International Conference on Modelling and Simulation	Прага, Чехия
2010, юни 28- юли 2	13th International Conference on Information Processing and Management of Uncertainty in Knowledge-Based Systems (IPMU'2010)	Дортмунд, Германия
2010, септември 5-9	7th EUROSIM Congress on Modelling and Simulation (EUROSIM'2010)	Прага, Чехия
2010, септември 6-8	3rd IASTED African Conference on Modelling and Simulation (AfricaMS'2010)	Габороне, Ботсвана
2010, ноември 16-18	International Conference on Frontiers in Handwriting Recognition	Колката, Индия
2011	Petri nets'2011	Тунис / Япония / ?
2011, септември	IEEE International Conference on Image Processing	Брюксел, Белгия
2012, март 25-30	2012 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing	Киото, Япония
2012, септември 30 - октомври 3	19th IEEE International Conference on Image Processing	Орландо, САЩ

Организиране на конференции

• International Workshop on Generalized Nets - София / Бургас, България - 2010, 2011, 2012
• International Workshop on Generalized Nets and Intuitionistic Fuzzy Sets - Варшава, Полша - 2010, 2011, 2012

План за устойчивост на дейностите

План за устойчивост на дейностите и след приключване на проекта (до 2 страници)

Настоящото проектно предложение дава сериозна заявка, че дейностите по проекта ще имат голям отзвук и дългосрочно положително въздействие в научно-приложната област на обобщеномрежовото моделиране. Най-същественият аргумент за устойчивия характер на планираните дейности е заявеното намерение в рамките на проекта успешно да се завърши софтуерната разработка на симулатора за обобщени мрежи, и кодът и документацията му да се публикуват под свободен лиценз, достъпни и за други научни и бизнес общности, които могат да използват този апарат за математическо моделиране за решаване на свои конкретни научни и приложни проблеми.

Както беше упоменато в частта "Състояние на научните изследвания", теорията на обобщените мрежи досега е използвана за конструиране на над 800 абстрактни ОМ-модела на поставяне на медицински диагнози. Освен тях могат да се посочат:

• ... модела на индустриални процеси,
• ... модела в биотехнологиите (пречистване на отпадни води, ...),
• над 25 модела в електронното обучение (изпитване и оценяване, ...),
• ... модела в транспорта и логистиката,
• ... модела във физиката и астрономията (лазерни технологии, ...),
• ... модела в роботиката и мехатрониката,
• ... модела в икономиката (...).

Всички тези резултати касаят интердисциплинарни приложения на ОМ в области, различни от онези приложения в изкуствения интелект, които се явяват целеви за научния колектив по проекта. Това означава, че съществува широка основа за това разработеният през първия етап на проекта софтуерен симулатор и натрупаният през втория етап опит в софтуерното описание, тестване и симулация на ОМ-моделите, да намерят вече и практическо приложение в области, където досега са прилагани основно на теоретично ниво.

Нещо повече, очакваните резултати в областта на изкуствения интелект (ОМ-модели на експертни системи, невронни мрежи, ГРИД-среди, оптимизационни алгортми чрез мравчени колонии, генетични алгоритми и техники за разпознаване на образи и говор) ще се окажат своеобразна "научна инвестиционна стока", тъй като на свой ред ще могат да се приложат в редица други научни области. Например, резултатите от моделирането на ГРИД-среди с ОМ могат да се използват в ..., ОМ-моделите на разпознаването на образи може да послужат за .... Накратко, приоритетното прилагане на симулатора за ОМ към обекти и проблеми от информатиката, ще даде възможност тази "инвестиция" бързо да се възвърне към софтуерния пакет под формата на класове от функции, библиотеки, ....

Управление на проекта

Управление на проекта (до 3 страници)

Работна програма

Първи етап

№	Съдържане на етапа	Брой месеци	Резултати

Втори етап

№	Съдържане на етапа	Брой месеци	Резултати

Финансов план

Финансов план на проекта	Първи етап	Втори етап
	290.000	267.000
1. Апаратура и специализирано оборудване	7.500	0
2. Материали, химикали и консумативи	.500	0
3. Информационни продукти (в т.ч. софтуер, абонаменти, достъп; проучване за патентоспособност; заявки за патенти; компютърно време и др.)	5.000	5.000
4. Международни конференции	120.000	120.000
5. Заплащане на външни организации за техническо подпомагане научната работа по проекта; за извършване на анализи, проучвания и поддръжка на апаратурата, използвана в рамките на проекта	6.000	6.000
6. Възнаграждения на членовете на колектива, работещи по проекта	103.000	85.000
7. Привличане на утвърдени учени от други страни за краткосрочен престой	18.000	18.000
8. Други разходи, до 10% от общата стойност на проекта (печат, публикации в издания с page charge)	12.000	15.000
9. Административни разходи (до 7% от сумата, предоставяна от фонд „Научни изследвания”)	18.000	18.000
Общ бюджет по проекта:	557.000

Финансова обосновка на исканите средства

Финансова обосновка на исканите средства по видове разходи за двата етапа на проекта