NÁZEV HLAVNÍHO PŘÍSPĚVKU

Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 2
Zprávy a oznámení
 Prof. Jiří Vlach
Dne 11. února 2015 odešel
v tichosti ve věku 92 let člen
naší redakční rady pan Jiří
Vlach, univerzitní profesor a
celosvětově uznávaný vědec,
IEEE Life Fellow, známý
mimo jiné svými průkopnickými pracemi z oblasti numerických metod řešení elektrických
obvodů.
Jiří Vlach se narodil 5. října
1922 v Praze. Jeho matka záhy
zemřela. Díky otci, povoláním
učiteli, si rychle osvojil schopnost racionálního technického
myšlení a pochopil význam vzdělanosti. První etapa jeho cesty
za vzděláním probíhala za tvrdých podmínek druhé světové
války. Střední školu ukončil v roce 1941 a pak se přihlásil
na dvouletý abiturientský kurz elektrotechniky na Smíchově.
Na studium si vydělával vyučováním němčiny v soukromé
škole. Poté byl vyslán do firmy Junkers Flugzeug- und
Motorenwerke AG v Praze, kde až do konce války pracoval
jako kreslič. Ve volných chvílích se věnoval samostudiu
němčiny a ruštiny.
Po válce studoval elektrotechniku na ČVUT v Praze.
Vyučováním ruštiny si získával finanční prostředky ke studiu.
Po ukončení studií nastoupil v roce 1949 do vývojového
oddělení Tesly do pracovní skupiny, kterou řídil Morton
Nadler. Jednalo se o zajímavé protnutí cest dvou osobností,
jejichž klíčové přínosy v oboru byly celosvětově oceněny
až o několik desítek let později. Američan Nadler emigroval
v roce 1948 z USA do tehdejšího Československa, zatímco Jiří
se v roce 1968 vydal opačnou cestou.
Díky organizačním změnám vystřídal Jiří několik pracovišť.
V padesátých letech se zabýval anténní technikou v Třebohoštické a po pracovišti v Nuslích přešel do VÚST na
Novodvorské. V roce 1956 byl vedoucím pracovní skupiny,
která řešila vícekanálový směrový spoj a další úkoly. V témže
roce obhájil kandidátskou práci.
Byl iniciátorem myšlenky zahájení prací na barevné televizi
ve VÚST. Po vzniku nového oddělení barevné televize (BTV)
byl v roce 1956 jmenován jeho vedoucím. O rok později,
v souvislosti s politickými čistkami, k nimž došlo po maďarském povstání na sklonku roku 1956, byl Jiří Vlach z funkce
odvolán, nicméně zůstal na oddělení jako řadový pracovník.
V té době se zabýval zejména vývojem mezifrekvenčních
zesilovačů pro přijímače barevné televize. Ve volných chvílích
se zdokonaluje v angličtině a francouzštině.
Po roce 1958, kdy proběhlo stěhování všech pracovišť
do nového areálu ústavu na Novodvorské, odešel z oddělení
BTV a pokoušel se vybudovat výpočetní středisko. Sám o tom
píše takto:
Vzhledem k tomu, že v té době byla ve středisku mimo mne
jen jedna další osoba a žádný počítač, příliš mnoho úspěchů
středisko nemělo.
15
V šedesátých letech se na konferenci Dne rádia v Moskvě
seznámil s americkým profesorem, pro něhož překládal hovory
z ruštiny, němčiny a francouzštiny. Na základě jeho
doporučení byl pozván do USA jako hostující profesor
na University of Illinois v městě Urbana, kam odletěl v únoru
1967 spolu s manželkou. Syn Martin musel zůstat v Praze, což
byla tehdy běžná obrana politického systému proti emigraci.
Zpátky se vrátili měsíc před okupací Československa. Jiří
Vlach o tomto období píše:
Vrátili jsme se v roce 1968 začátkem července. Vzpomínám
si, jak jsem jednou šel po Praze, bylo horko, nad vozovkou
stoupající ohřátý vzduch jakoby hýbal kameny, a já přemýšlel,
co budu dělat. V ústavě, kde jsem dělal, všichni vedoucí se mi
vyhýbali, abych jim nepřebral jejich pozici. Já předtím měl tzv.
"matematické oddělení", které sestávalo ze mne a jedné spolupracovnice. Neměli jsme ani kalkulačku, takže to všechno bylo
vlastně na nic. Po zkušenosti z USA to bylo dost deprimující.
Ty problémy mi vyřešili Rusové s jejich okupací.
Kontaktoval jsem tenkrát University of Illinois, kde jsem byl
předtím, nabídli mi ještě jeden rok a tak jsme se tam vrátili.
Martin (syn) mohl studovat, manželka také dostala práci.
A během toho roku mi kanadská universita ve Waterloo
nabídla místo profesora. Tehdy to byla začínající univerzita,
řada profesorů byli jen praktici, někteří jen s nejnižším
univerzitním vzděláním. Byl jsem jeden z asi 4 profesorů,
kdo měl Ph.D. (u mne CSc.). Naštěstí manželka, která měla
doktorát (RNDr) a CSc. z chemie, dostala také místo
na univerzitě, sice ne moc placené, v laboratoři, ale na začátek
to stačilo. No a tak jsme začali emigraci.
Svůj úhel pohledu na tuto přelomovou událost v životě
Jiřího Vlacha nabízí profesor Čajka ve svých pamětech:
V pohnutém roce 1968 mne pozvali na Symposium on
Network Theory do Bělehradu. ... Symposium se konalo někdy
začátkem září. … Na konferenci jsem se setkal s panem Ing.
Jiřím Vlachem z Prahy, který se před nedávnem vrátil
ze studijního pobytu v USA. Do Bělehradu přijel i s ženou
a synem autem cestou přes Vídeň, kde si vyzvedl 100 dolarů,
které si tam z Ameriky uložil. …
Na banketu přišla řeč i na obsazení naší republiky. Známý
americký profesor nabídl azyl panu inženýru Vlachovi (ten
u něho předtím pracoval) a také mně. Kolega Vlach i s rodinou
potom s ním odjel do Spojených států. Zakotvil nakonec
na univerzitě Waterloo v Kanadě.“
Na univerzitě Waterloo působil Jiří Vlach až do roku 1986,
což byl pro něj tehdy platný zákonný termín pro odchod
do penze. Na základě kontraktu však zde přednášel až do roku
1999. Přednášel rovněž po dva roky (1975, 1982)
ve Švýcarsku na Eidgenossische Technische Hochshule
v Zurichu a dva semestry v Brazílii na Universidade Católica
do Rio de Janeiro. Během své dlouhé a úspěšné kariéry získal
řadu ocenění. V roce 1992 se stal vůbec nejstarším držitelem
strategického vědeckého grantu NSERC (Natural Sciences and
Engineering Research Council). V roce 1982 se stal IEEE
Fellow “For contributions to computer-aided analysis and
design of electrical networks“, později Life Fellow. Je
nositelem “IEEE CAS Golden Jubilee Medal“ z roku 1999.
16
Zprávy a oznámení
V roce 2000 obdržel titul “Distinguished Emeritus Professor“
University of Waterloo.
Vědecká práce Jiřího Vlacha je neoddělitelně spjata
s doménou analogových obvodů. Rád vyhledával složité a
rutinním postupům odolávající problémy a přijímal výzvy,
které s sebou přinášel rozvoj obvodové techniky zejména v 60.
a 70. letech. Takovým „polem neoraným“ byly metody
počítačového řešení rozsáhlých elektronických obvodů.
Katalyzátory těchto procesů byly tehdy dva – rozvoj
integrovaných obvodů a principiálně nové techniky
analogového zpracování signálů, zejména obvody se
spínanými kapacitory, pro jejichž modelování a počítačovou
simulaci neexistovaly potřebné softwarové nástroje ani
teoretická východiska, na jejichž základě by tyto nástroje
mohly vzniknout. Brilantní práce J. Vlacha zejména v této
oblasti představují jeho významný příspěvek, obohacující jak
současnou teorii obvodů, tak i praxi počítačového modelování
a simulace systémů s komplexním chováním.
Publikovat v zahraničních časopisech začal J. Vlach již
v době, kdy to bylo vzhledem k politické situaci velmi obtížné.
Jednalo se o dnes klasické práce z oblasti aproximace a
syntézy kmitočtových filtrů. Například v roce 1963 vyšel
v němčině jeho článek o syntéze pásmových propustí,
konkrétně
v časopise
Archiv
für
Elektronik
und
Übertragungstechnik (AEÜ). Na toto téma přispíval i
do Slaboproudého obzoru (viz článek o polynomiálních
aproximacích dolních propustí v březnu 1965). Pouhé 3 měsíce
po zahájení jeho pracovního pobytu na University of Illinois
vyšel jeho článek v časopise The Radio and Electronic
Engineering na téma aktivních filtrů s nízkými citlivostmi.
Na prvním ročníku Asilomar Conference on Circuits and
Systems v roce 1967 referuje o aktivních filtrech na bázi
negativních impedančních konvertorů se sníženými
citlivostmi. Další článek na téma filtrů vyšších řádů s jedním
aktivním prvkem vyšel v roce 1969, tedy bezprostředně
po emigraci. V listopadu 1969 přichází jeho první publikace
v prestižním IEEE Transactions on Circuit Theory o aktivních
obvodech s kompenzovanými citlivostmi.
Od roku 1970 začíná J. Vlach prezentovat zajímavé
výsledky zejména z oblasti počítačově podporované analýzy a
návrhu obvodů. Jeho „vstup na scénu“ mohl působit jako náhlé
zjevení, neboť Jiří začal v této oblasti publikovat rovnou v těch
nejuznávanějších časopisech. Řady hodnotných výsledků
dosahuje ve spolupráci s K. Singhalem. Mimochodem, tato
spolupráce pak probíhá nepřetržitě po dalších dlouhých 45 let.
V roce 1972 společně publikují v prestižním Proceedings
of the IEEE řešení zobecněného problému vlastních čísel
s využitím algoritmu FFT. Tato robustní metoda byla později
využívána k semisymbolické analýze přenosových funkcí
rozsáhlých lineárních obvodů, jak ji oba autoři popsali v dnes
již klasickém článku Generation of Immitance Functions
in Symbolic Form for Lumped Distributed Active Networks
v IEEE T-CAS. Mimochodem, termínem symbolická analýza
označoval J. Vlach proces hledání numerických hodnot
koeficientů přenosových funkcí, což je dnes nazýváno
semisymbolickou analýzou. Metody čistě symbolické analýzy
jednoduše neuznával, přičemž argumentoval potřebami
analýzy rozsáhlých systémů, pro něž neměly postupy
symbolické analýzy bez zjednodušování výsledků praktický
význam. Zabývá se i tehdy aktuálním problémem optimální
pivotizace při numerickém řešení rozsáhlých systémů,
popsaných řídkými maticemi.
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 2
Přestože práce J. Vlacha vycházely z jeho hlubokých
znalostí numerické matematiky a matematické analýzy,
vyznačovaly se, na rozdíl od teoretických prací z oblasti
numerické matematiky, některými nepřehlédnutelnými
atributy. Především vycházely vždy z konkrétních požadavků
technické praxe (například nutnosti řešit rozsáhlé obvody,
popsané soustavou nelineárních rovnic o stovkách
neznámých). Protože Jiří byl současně i aktivní programátor,
příslušné numerické algoritmy „odlaďoval“ a transformoval
do softwarového prostředí k přímému využití v praxi. Dá se
tedy říci, že jak vstupy, tak i výstupy jeho činnosti byly
zanořeny do reálně existujícího světa technických problémů,
které řešil s nadhledem, znalostmi a posléze i zkušenostmi
„elektromatematika“ = elektrotechnika s hlubokými znalostmi
aplikované matematiky. Zdá se, že tento pro Jiřího charakteristický rys byl hlavní příčinou jeho pronikavých úspěchů
v nadcházejících cca 30 letech, kdy vznikala jeho nejvýznamnější díla. Typickým příkladem vzorové symbiózy technického
a matematického myšlení je článek z roku 1974 Active Filters
for Intermediate Frequencies Using Low-Gain Transducers
z IEEE T-CAS: Zapojení filtrů s nízkými citlivostmi a
s předepsaným typem aktivních prvků hledá na základě
zkušeností a intuice. Aby je mohl podrobit sofistikované
citlivostní analýze, musí nejprve vybudovat teorii citlivostí
obvodů s ideálními řízenými zdroji a pak provést její detailní
algoritmizaci a naprogramování. Tím získá softwarový nástroj
pro verifikaci a následnou optimalizaci filtru.
Kromě automatizovaných výpočtů citlivostí, řešení
rozsáhlých systémů rovnic a (semi)symbolické analýzy přispěl
J. Vlach zásadní měrou k úspěšnému řešení zejména těchto
problémů: Numerická inverze Laplaceových obrazů, metody
hledání periodických ustálených stavů, analýza nelineárního
zkreslení, efektivní hledání nulových bodů a pólů rozsáhlých
systémů (pomocí algoritmů FFT a QZ), teorie a praxe analýzy
obvodů se spínanými kapacitory a obecných nelineárních
obvodů s interně řízenými spínači. Na konci 90. let se zabýval
statistickým návrhem obvodů.
Nejvýznamnější práce prof. Vlacha vznikly pravděpodobně
v souvislosti s řešením problémů spojených s analýzou obvodů
se spínanými kapacitory s vícefázovým spínáním. Složitost
těchto problémů byla umocněna jednak kombinací spojitého a
diskrétního chování v rámci jednoho „analogového obvodu
s vzorkováním“, jednak idealizací modelu, založeného
na nábojových rovnicích, kdy bylo nutné numericky řešit tzv.
nekonzistentní počáteční podmínky, a jednak množstvím
rovnic, jejichž počet rostl s počtem spínacích fází. Posledně
uvedený problém byl poměrně zásadní, přihlédneme-li
k (ne)výkonnosti tehdejších počítačů. To vše s sebou přinášelo
jednak nutnost tvorby zcela nového teoretického aparátu
(například jak definovat zobecněný harmonický ustálený stav
v spínaných obvodech a z toho vyplývající kmitočtové
charakteristiky), tak i potřebu inovativních metod numerického
řešení (například jak pracovat s Diracovými impulsy v rámci
konečné aritmetiky, jak hledat periodické ustálené stavy
v spínaných obvodech, jak počítat nulové body a póly v rovině
z s dostatečnou přesností z rozsáhlých soustav rovnic).
Výsledky prof. Vlacha z uvedené oblasti spínaných obvodů,
kterých dosáhl zejména ve spolupráci s jeho bývalými žáky
Bedrosianem a Opalem, byly inspirativní pro celou řadu jeho
pokračovatelů. Zásadní význam pro počítačovou analýzu
spínaných obvodů na tehdejších nevýkonných počítačích měla
minimalizace počtu rovnic. K matematickému modelování se
Slaboproudý obzor
Roč. 71 (2015) Číslo 2
Zprávy a oznámení
běžně používá modifikovaná metoda uzlových napětí. U spínaného obvodu to však znamenalo přídavnou rovnici pro každý
spínač a další rovnici pro každý ideální operační zesilovač.
U obvodu s dvoufázovým spínáním se počet rovnic
zdvojnásobil. J. Vlach vyvinul unikátní metodu redukce počtu
rovnic, kdy každý spínač a rovněž každý ideální operační
zesilovač nezvyšoval, nýbrž naopak snižoval počet rovnic
o jedničku. Bez této metody, vedoucí na „komprimovaný“
maticový popis, by analýza rozsáhlých spínaných obvodů
s vícefázovým spíná-ním nebyla na tehdejších počítačích
vůbec možná. Později byla tato metoda zobecněna na metodu
tzv. napěťových a nábojových koeficientů. K nejvíce
inspirativním článkům, které ovlivnily tvůrce programů
pro analýzu obvodů se spína-nými kapacitory v řadě zemí,
patří publikace Computer Oriented Formulation of Equations
and Analysis of Switched-Capacitor Networks, kterou vytvořil
s K. Singhalem a se svým synem Martinem. Bez Vlachovy
maticové metody numerické inverze Laplaceových obrazů,
založené na Padéově aproximaci exponenciální funkce, a bez
jeho tzv. “resetting principle“ by později nemohly vzniknout
programy pro analýzu reálných spínaných obvodů. Svoji první
knihu, Computerized approxi-mation and synthesis of linear
networks, vydal již v roce 1969 v prestižním nakladatelství
J. Wiley & Sons. Zřejmě nejvýznamnějším zdrojem inspirace
pro celé generace následovníků profesora Vlacha je jeho kniha
Computer Methods for Circuit Analysis and Design, kterou
napsal s K. Singhalem. Brzo po jejím prvním vydání v r. 1983
v New-Yorku vyšel i její ruský překlad, s nímž jsem měl
možnost pracovat v předrevolučním období před rokem 1989.
Není bez zajímavosti, že kniha vyšla i v Iránu v jazyku Farsi.
Na třetím vydání pracoval v roce 2013, tedy ve svých 91
letech. V témže roce byla připravena do tisku další kniha
Linear Circuit Theory – Matrices in Computer Applications,
o níž mně Jiří napsal v září 2013:
Před krátkou dobou jsem dopsal knihu pro začáteční roky
univerzitního studia elektrotechnického inženýrství. Kniha má
vyjít někdy v říjnu nebo tak1 ... Je to více méně základní
příprava pro další studium, trochu jako úvod pro věci, které
jsou v té další knize.
Další čtivou knihou J. Vlacha, určenou zejména pro
studenty, byla Basic Network Theory with Computer
Applications z roku 1992.
Jak již bylo zmíněno výše, J. Vlach všechny své matematické algoritmy i programoval a odlaďoval. Fortranovské
výpisy klíčových algoritmů se objevují na různých místech
jeho publikací, což významným způsobem napomáhalo
k jejich implementaci na dalších pracovištích. J. Vlach většinu
svých algoritmů implementoval do softwarových balíků,
například WATAND2 (WATerloo Analysis aNd Design)
z roku 1973, později WATSCAD (WATerloo Switched
Capacitor Analysis and Design). Pro tento program
pro analýzu spínaných obvodů napsal unikátní optimalizační
rutinu WATOPT. Spojením s programem pro analýzu
lineárních obvodů NETOPT vznikl na svou dobu ojedinělý
nástroj pro návrh analogových filtrů. Dalším programem z 80.
let z dílny J. Vlacha byl WATSWITCH, představený v roce
1988 jako Current-Limited Switch-Level Timing Simulator
1
2
Kniha vyšla v únoru 2014.
Na programu pracovala řada dalších lidí, například P. Bryant, M. Vlach,
D. Roulston, K. Singhal, I. Hajj.
17
for MOS Logic Networks. Brilantní implementací Vlachovy
teorie analýzy obecných lineárních obvodů s periodickým
spínáním (viz dnes klasický článek Analysis and Sensitivity
of Periodically Switched Linear Networks z roku 1989) byl
program WATSNAP (WATerloo Switched Network Analysis
Program). V roce 1990 Vlach publikuje v článku Consistent
Initial Conditions of Linear Switched Networks unikátní
dvoukrokovou metodu (Two-Step Solution) integrace
obvodových rovnic spínaného obvodu, která na základě
numerické inverze Laplaceova obrazu řeší korektně transientní
analýzu spínaného obvodu při nekonsistentních počátečních
podmínkách, vedoucích k Diracovým impulsům v okamžicích
spínání. Metodu implementuje do WATSNAPu. O rok později
publikuje na ISCASu 1991 s Bedrosianem první článek
o transientní analýze obvodů s interním spínáním. Pro analýzu
obvodů s interním spínáním píše speciální program SWANN.
Na vývoji tohoto programu, který byl podporován výše
zmíněným strategickým grantem NSERC, se v letech 1993 a
1994 podílel i profesor Valsa, který v té době hostoval
na Waterloo University. V konečné fázi SWANN dokázal
analyzovat nelineární obvody jak s externím, tak i s interním
spínáním, což jej předurčovalo, na rozdíl od programů typu
SPICE, ke korektní simulaci široké třídy obvodů, například
spínaných DC-DC měničů (jak známo, klasické algoritmy
transientní analýzy, využívané v SPICE, se potýkají
s numerickými problémy při simulaci systémů se stavy,
řízenými událostmi). I v tomto směru softwarová díla J. Vlacha
svým způsobem předběhla dobu.
Jiří byl nejen vynikající odborník, ale i výborný pedagog a
především vzdělaný člověk s širokým rozhledem a širokým
srdcem, který byl ochoten pomoci vždy a všude, kde vycítil
snahu, slušnost či naléhavost. Ačkoliv technik, byl pověstný
svým nadáním rychle si osvojit cizí jazyk. Vzpomínám si, jak
Jiří přijal naše pozvání na Seminář teorie obvodů v září 1999,
konaný na tehdejší Vojenské Akademii v Brně. Seminář byl
zahájen dvojicí vyzvaných přednášek Josefa Čajky a Jiřího
Vlacha. V diskusi s jedním z účastníků, který položil otázku
v angličtině, přešel z angličtiny na plynulou ruštinu
s poznámkou, že z přízvuku tazatele usuzuje, že je Rus.
Profesor Čajka položil druhou otázku ve francouzštině a třetí
v němčině, což J. Vlacha nijak nevyvedlo z míry. O přestávce
se mně svěřil, že rozumí i italsky, i když se italštině nikdy
nevěnoval. I po více než 40 letech v zahraničí hovořil krásnou
spisovnou češtinou. Se svou rodnou zemí nikdy neztratil
kontakt. V Čechách měl spoustu přátel. Po roce 1989 se sem
často vracel, i když rád cestoval po celém světě. Byl vždy
velmi vitální a sportovně založený. Hrál tenis, plaval, lyžoval.
Měl rád kanoistiku, které si užíval nejen na Vltavě, ale i na
řekách a jezerech v Ontariu. Vzpomínám si na naše setkání
v roce 2001 na ISCASu v Sydney. Profesoru Vlachovi bylo
tehdy 79 let. S batůžkem na zádech vyrážel kamsi do pouště
v Alice Springs. Předloni, tři měsíce před jeho 91.
narozeninami, jezdil na kole po Francii. V září 2013 píše:
Jezdím na kole a chodíval jsem plavat. Na kole v těchto
dnech dělám obvykle denně 15 km. Na štěstí tady je krajina
placatá a tak to není příliš namáhavé.
Profesor Vlach zde po sobě zanechal velké dílo. Současně
vychoval celou řadu svých pokračovatelů. Jedním z nich je i
jeho syn Martin, hlavní technolog v Mentor Graphics a autor
známého programu Saber od Synopsys. Jiří, čest Tvé památce.
Prof. Ing. Dalibor Biolek, CSc.