Основатель и первый зав. лаб. № 40 Фёдор Фёдорович Пащенко

После аварии на Чернобыльской АЭС (1986) вышло Постановление ЦК КПСС и Совета министров СССР, согласно которому Институт проблем управления назначался головной организацией по созданию высоконадёжных АСУ ТП АЭС, а академик ГАН И. В. Прангишвили назначен генеральным конструктором по АСУ ТП АЭС. В рамках реализации этого Постановления в 1987 г. в Институте на основе сектора № 41. 1 «Автоматизированные системы управления технологическими процессами атомных электростанций» была образована лаб. № 40. Заведующим лабораторией был назначен к.т.н. Фёдор Фёдорович Пащенко (сегодня – д.т.н., профессор, почётный деятель науки и техники г. Москвы).

Зав. лаб. № 40 Александр Фёдорович Пащенко

Перед лабораторией были поставлены задачи координации и научного руководства общесоюзными и международными программами по разработке и созданию систем автоматизации объектов атомной энергетики, разработке современных эффективных систем управления в атомной энергетике, повышению интеллектуального уровня и надёжности систем управления и принятия решений. В 1994 г. лаборатория получила своё нынешнее название. В 2019 году ее возглавил к.т.н. Александр Федорович Пащенко. В настоящее время в состав лаборатории входит 18 сотрудников, из которых 3 доктора наук и 7 кандидатов наук.

Традиционные научные направления:

• Теория систем и системный подход.
• Разработка целевых федеральных, региональных и отраслевых комплексных программ, и соответствующих организационных структур, методов управления и механизмов реализации программ.
• Разработка интеллектуальных автоматизированных систем управления производствами повышенного риска.
• Анализ, моделирование, идентификация, синтез и управление линейными, стохастическими и нелинейными системами.
• Разработка методического, алгоритмического и программного обеспечения интеллектуальных систем моделирования, идентификации и управления.
• Разработка человеко-машинных систем управления.
• Разработка методологии и методов построения систем принятия решений и систем информационной поддержки оперативного персонала .
• Разработка систем функциональной диагностики в энергетике и других отраслях.
• Разработка систем мониторинга государственных и отраслевых программ.

Следуя этим направлениям, были разработаны общесоюзные научно-технические программы по автоматизации атомных электростанций (АЭС) 0.Ц.046 и 0.80.060 и комплексная программа стран-членов СЭВ по созданию современных высоконадёжных АСУ ТП АЭС. В реализации этих программ участвовало более 200 организаций и предприятий СССР и более 100 организаций стран-членов СЭВ. При участии лаборатории разработаны техническое задание, технические требования, эскизный, технический и рабочий проекты перспективной АСУ ТП АЭС.

В рамках перечисленных программ созданы теоретические основы интеллектуальных систем управления производствами повышенного риска. В этой теории используются методы построения систем управления с идентификатором и теория экспертных систем. Полученные теоретические результаты применены при создании системы информационной поддержки операторов АЭС и верхнего уровня АСУ ТП АЭС, ряда АСУ и АСУ ТП в металлургической и химической промышленности, станкостроении, биотехнологии и других отраслях.

В области теории систем управления с идентификатором получен ряд важных результатов, опирающихся на использование априорной информации в форме профессиональных знаний о физических и конструктивных особенностях объектов; разработаны принципы построения экспертно-статистической системы конструирования алгоритмов моделирования систем управления; разработаны дисперсионные методы идентификации существенно нелинейных систем; построены оптимальные одношаговые и многошаговые адаптивные алгоритмы и получены условия устойчивости адаптивных систем с идентификатором и итерационных схем; созданы быстродействующие и эффективные модели с настраиваемыми параметрами основных технологических процессов первого и второго контуров энергоблоков АЭС, в том числе модели распределения нейтронного поля и реактивности в активной зоне реактора (д.т.н. Ф. Ф. Пащенко, к.т.н. Е. Е. Соколовский, к.т.н. Е. М. Сапрыкин, д.ф.-м.н. С. Д. Алгазин, к.т.н. К. С. Гинсберг, коллеги из Болгарии – к.т.н. Н. Колев, к.т.н. Р. Цветанов и др.).

Разработаны методология и методы построения систем принятия решений для производств повышенного риска. Большой вклад в координацию работ по АСУ ТП АЭС внесли сотрудники лаборатории Д. А. Шалабаев, В. А. Быков, В. С. Землянников, В. Н. Савушкин и др.

Результаты этих исследований частично изложены в десятке совместных (с коллегами из МЭИ, ВНИИАЭС, ЛГТУ, ИАЭ им. И. В. Курчатова, ВТИ и других организаций) монографий.

Созданы математические модели и алгоритмы адаптивного управления технологическими процессами доменной печи. Данные теоретические разработки вошли в основу внедрённой в эксплуатацию АСУ ТП доменной печи № 1 на КМЗ г. Коммунарска (Ф. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян). Работа выполнялась совместно с сотрудниками УГПИ «Проектавтоматика» и КМЗ. На разработанные методы и устройства управления получено более 20 авторских свидетельств.

В 1990-е гг. лаборатория принимала участие в разработке федеральных целевых программ «Социально-экономическое развитие Дальнего Востока и Забайкалья», «Социально-экономическое развитие Сибири», «Развитие коренных малочисленных народов Севера» и др.

Современные научные направления:

1. Методы анализа, моделирования и синтеза нелинейных систем.
2. Развитие теории и методов построения систем управления и моделирования на основе знаний.
3. Развитие теории оптимальных нелинейных систем.
4. Теория систем и системные закономерности в природе и обществе.
5. Искусственный интеллект в теории и практике управления.
6. Развитие методов нейро-нечёткого управления и моделирования.
7. Разработка и создание инновационных систем и технопарковых структур – технополисов, технопарков, наукоградов, этнопарков и т. п.

В рамках первого направления (анализа и идентификации нелинейных систем) предложен метод функциональных преобразований. Метод обобщает такие известные подходы к анализу и моделированию систем, как методы Винера–Хопфа, Л. Заде, Н. И. Андреева и др., и распространяет их применение на класс нелинейных систем. Для реализации метода разработан новый математический аппарат функциональных корреляционных и дисперсионных функций.

На основе метода функциональных преобразований разработаны состоятельные методы структурной, непараметрической и параметрической идентификации нелинейных стохастических систем, получены условия идентифицируемости и состоятельные уравнения идентификации. В настоящее время данный подход является единственным конструктивным методом, позволяющим ответить на вопрос, существует ли математическая модель идентифицируемого объекта на рассматриваемых классах входных и выходных сигналов.

В рамках второго направления предложены:

• Подход к идентификации линейных и нелинейных динамических систем на базе использования знаний об исследуемой системе. В его рамках на основе расширения понятия дисперсионных функций получено решение уравнения идентификации для определения весовой функции системы. Подход эффективно использовался при моделировании нелинейных систем, описываемом моделями Гаммерштейна, Винера и Вольтерра.
• Информационные методы идентификации систем (И. С. Дургарян, Ф. Ф. Пащенко). Получены энтропийные оценки структурных инвариантов линейных и нелинейных систем, в том числе оценки информативности, стохастичности, нелинейности и идентичности моделей. Разработаны методы и получены условия идентифицируемости систем по критерию максимума информации о выходном сигнале и параметрах системы, содержащейся во входном сигнале, что позволяет максимально использовать всю имеющуюся информацию об исследуемом объекте.
• Научные основы построения человеко-машинных систем информационной поддержки оперативного персонала производств повышенного риска. В рамках этого направления разработаны методы решения задачи оценки состояния и диагностики объекта, прогнозирования хода технологического процесса и возможных нарушений и выработки управляющих воздействий, в том числе в виде советов оператору Разработаны и созданы алгоритмические и технические средства автоматизации (И. В. Прангишвили, Ф. Ф. Пащенко, Е. М. Сапрыкин, С. А. Молчанов, В. А. Воронина, К. Р. Чернышёв, И. С. Дургарян, Е. Ф. Жарко, В. Н. Судариков и др.).

Сотрудники лаборатории создали ряд проектов по «умным» системам, участвовали в разработке элементов электронного правительства. Разработаны: интеллектуальная ветрогенерирующая установка (Ф. Ф. Пащенко, А. М. Шубладзе, В. В. Торшин, Л. Е. Круковский, А. Ф. Пащенко) генераторы энергии от механических колебаний транспортных систем, цифровое интеллектуальное месторождение совместно с ИПНГ РАН (Ф. Ф. Пащенко, С. В. Гуляев, А. Ф. Пащенко и др.). Совместно с МФТИ разрабатывали интеллектуальные технологии для мониторинга и оптимизации функционирования транспортных систем РЖД. Сотрудники лаборатории принимали участие в разработке корпорацией AIC (Вьетнам) проекта «Умного города». Проект получил Первую премию на конкурсе Международной ассоциации «Умных городов» (2018 г.). Проводятся активные работы по разработке методологии и систем мониторинга и управления безопасностью в отраслях повышенного риска, в том числе в авиационной, металлургической, энергетической.

В рамках третьего направления сформулированы условия экстремума для анормальных задач оптимизации систем. Для достаточно общих задач на условный экстремум в банаховых пространствах выделяется класс задач, для которых классические методы исследования, основанные на принципе Лагранжа, не работают. Такие задачи, следуя Блиссу, называются анормальными. Получены необходимые условия первого и второго порядка для абстрактной анормальной экстремальной задачи в банаховом пространстве; необходимые условия экстремума для анормальной задачи Лагранжа вариационного исчисления; принцип максимума для анормальных задач оптимального управления (д.ф.-м.н. Е. Р. Аваков). Полученные необходимые условия являются развитием и обобщением классических необходимых условий (принцип Лагранжа, уравнения Эйлера-Лагранжа и принцип максимума Понтрягина) на анормальные задачи. При этом в регулярном случае из них следуют классические условия, а в анормальном – дополнительная содержательная информация об экстремальных точках.

Разработан метод максимального быстродействия с прогнозирующей моделью (д.т.н. Г. А. Пикина, д.т.н. Ф. Ф. Пащенко). Предложен новый принцип управления по прогнозу в линейных автоматических системах с типовыми законами регулирования. Использование алгоритма прогнозирования в составе типовых регуляторов делает возможным настройку одноконтурных и двухконтурных систем только одним параметром – временем прогноза.

В рамках четвёртого направления предложены подходы к анализу и синтезу новых и уже известных закономерностей в области электродинамики (Ф. Ф. Пащенко, к.т.н. Б. П. Бусыгин, к.т.н. Л. Е. Круковский, к.т.н. В. В. Торшин, к.т.н. А. Ф. Пащенко). В частности, разработан метод логического моделирования законов электродинамики, позволяющий формализованным образом описывать различные законы электродинамики и синтезировать новые закономерности и модели. В рамках этой тематики опубликовано более 10 монографий, получено более 30 патентов. Разработанные методы использованы для построения альтернативных источников энергии и энергосберегающих систем на транспорте и повышения эффективности и создания «интеллектуальных» месторождений и внедрения современных технологий в нефтегазовой отрасли. Предложенные подходы к построению новых механизмов получения энергии по аналогии распространяются и на другие области науки, в частности, на исследование и разработку когнитивных технологий моделирования социальных и экономических процессов (Ф. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян, А. Ф. Пащенко, к.с.н. С. В. Зернов).

Сотрудники лаборатории участвуют в разработке новых физико-механических методов извлечения углеводородов, в первую очередь – импульсных методов воздействия на нефтенасыщенные и газонасыщенные горные породы. Проведены масштабные экспериментальные работы по определению эффективности применения таких методов в различных геолого-физических условиях и перспектив их внедрения в добывающую отрасль (А. Ф. Пащенко). Ряд работ проводился с участием компаний – резидентов Фонда Сколково.

В рамках пятого и шестого направления сотрудниками лаборатории Ф. Ф. Пащенко, А. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян совместно с сотрудниками Липецкого ГТУ предложены новые генетические алгоритмы идентификации и алгоритмы моделирования на основе нечёткой логики и нейронных сетей. Построены гибридные алгоритмы структурной и параметрической идентификации. Новые методы существенно повышают эффективность нейро-нечёткого моделирования алгоритмов Суджено, Мандами и системы ANFIS. Разработаны методы построения нечётких регуляторов и исследованы вопросы их устойчивости. Предложенные методы использовались для моделирования и управления на Липецком металлургическом комбинате (руководитель работ – д.т.н. Ю. И. Кудинов) для прогнозирования качества производимой продукции и управления печами обжига.

Для нелинейной фильтрации нестационарных случайных процессов предложен вычислительный метод оценивания состояния динамических систем, отличительной особенностью которого является применение принципов декомпозиции для построения субоптимальных иерархических нейросетевых, нечётких, вейвлет-алгоритмов оценивания и их комбинаций, обладающих высоким быстродействием и точностью оценивания (д.т.н. О. С. Амосов, к.т.н. С. Г. Амосова).

Предложен вычислительный метод распознавания образов в непрерывном видеопотоке с использованием глубоких нейронных сетей (д.т.н. О. С. Амосов, к.т.н. С. Г. Амосова и др.).

Предложен новый подход к получению динамических характеристик моделей с распределёнными параметрами (РП) с помощью двойного преобразования Лапласа. Разработаны методические основы получения характеристик РП-моделей, а также компьютерная программа для их расчёта для парогенераторов блоков ВВЭР-440, ВВЭР-1000 и поверхностей котлов БКЗ-320, ТГМП-340. (Г. А. Пикина, Ф. Ф Пащенко).

Разработан метод максимального быстродействия с прогнозирующей моделью. Показано, что комбинация линейного прогностического регулятора состояния и стандартного ПИД-регулятора по показателям качества конкурентоспособны оптимальному по времени алгоритму максимального быстродействия. (Г. А. Пикина, Ф. Ф. Пащенко). Предложен новый универсальный беспоисковый метод параметрической оптимизации.

В рамках седьмого направления сотрудники лаборатории одними из первых в России поставили вопросы, связанные с инновационным развитием страны. Разработаны методологические основы организации социально-экономических структур типа технополисов, технопарков, наукоградов, этнопарков и т. п. Сформирована стратегия социально-экономического управления, опирающаяся на анализ проблем регионов, которая требует изменения акцентов программных мероприятий, а также создания реальной возможности согласования интересов федеральных и местных органов управления и населения регионов.

Сотрудники лаборатории разработали «Программу инновационного развития Хабаровского края», «Концепцию управления мегаполисом г. Москвы», программу «Исследование инновационного потенциала регионов Центрального федерального округа», Программу совершенствования механизмов управления развитием научно-технического потенциала Москвы, участвовали в разработке Программы инновационного развития Москвы и Стратегии развития Москвы до 2025 г. (в рамках разработки Генерального плана г. Москвы, совместно с НИиПИ Генплана) и ряда других региональных и отраслевых программ (Ф. Ф. Пащенко, В. Б. Гусев, В. В. Павельев, А. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян и др.).

Сотрудники лаборатории принимали активное участие в разработке и создании экотехнополисов в городах Троицк, Дубна, Арзамас-16 (Российский Ядерный Центр), Магнитогорск, в разработке федеральных инновационных подпрограмм «Техноэкополис Комсомольск-Амурск-Солнечный» (этот проект был первым проектом Технополиса, утвержденным Указом Президента РФ и Постановлением Правительства РФ) и «Технополис Стрежевой», федеральных целевых программ «Дальний Восток и Забайкалье», «Сибирь».

Результаты теоретических исследований использованы: при создании систем информационной поддержки операторов на Запорожской и Смоленской АЭС и других энергетических объектах; систем управления доменным процессом на Коммунарском металлургическом комбинате (Ф. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян); химическими реакторами на ППО «Бор» в г. Дальнегорск (в работе участвовали от ИПУ – акад. В. А. Трапезников, Н. С. Райбман, Ф. Ф. Пащенко и др., от ИАПУ ДВО – акад. А. А. Воронов, д.т.н. В. В. Здор, Д. И. Бернацкий и др.); в машино- и станкостроении (совместно с ИМАШ), для управления биотехническими объектами (Ф. Ф. Пащенко, В. А. Грабауров, А. Ф. Пащенко, Ю. И. Островский и др.); при создании системы управления птичником с оптимальными режимами кормления и температурой птичника, при разработке и создании АСУ ТП ТЭС «Насирия» (Ирак) в рамках работ по модернизации, проводимых ОАО «Интерэнергосервис».

В 2014 г. в состав лаб. № 40 вошла лаб. № 50, которой ранее заведовал д.т.н. А. М. Шубладзе. Ещё до этого лаб. №№ 40 и 50 совместно были разработаны новые самоорганизующиеся системы: оптимальные ресурсосберегающие адаптивные системы. Удалось создать регулятор, компенсирующий переменный по величине люфт. Был использован ПИД регулятор с квантованием управляющего сигнала по времени (А. М. Шубладзе, С. В. Гуляев, Ф. Ф. Пащенко, А. Ф. Пащенко).

Разработана методика параметрической оптимизации настроек регуляторов для повышения быстродействия на основе метода обеспечения максимальной степени устойчивости. Предложенная методика использована для оптимизации трехканальной системы управления летательным аппаратом. (С. В. Гуляев, А. М. Шубладзе).

В 2017 г. в состав лаб. № 40 были включены лаборатории №№ 36 и 43.

В соответствии с традициями системного подхода, заложенными в лаб. № 36 ещё А. А. Фельдбаумом, сотрудники лаборатории продолжали развивать классические разделы теории автоматического управления – прежде всего те, что позволяют совершенствовать методы управления сложнейшими социально-экономическими системами. В первую очередь это – методики оценивания тенденций развития при наличии интенсивных помех и неточности измерений и оптимального управления подвижными объектами. Широко известна монография последнего зав. лаб. № 36 К. Б. Норкина «Системные проблемы борьбы с коррупцией в России». В составе авторского коллектива К. Б. Норкин стал лауреатом премии Правительства РФ за учебник по новой экономике. В 1990 г. он был избран депутатом Моссовета и позднее приглашён для работы министром в Правительстве Москвы, оставаясь по совместительству зав. лаб. № 36. Поэтому, естественно, тематика лаб. № 36 была тесно связана с задачами управления развитием города.

Создателем лаб. № 43 и первым её заведующим был к.т.н. А. М. Черкашин. К моменту включения лаб. № 43 в состав лаб. № 40 ею заведовал к.ф.-м.н. В. Б. Гусев.

В 1995–1997 гг. лаб. № 43 представляла Институт в качестве головной организации по формированию «Федеральной программы социального и экономического развития коренных малочисленных народов Севера до 2000 г.»

В 1992–2001 гг. по заказу Минэкономики (ныне - Минэкономразвития) были разработаны многоотраслевые модели (динамическая и равновесная), а также методы расчёта показателей структурной динамики экономической системы (В. Б. Гусев).

В 2001–2004 гг. лаб. № 43 выполнялись работы по проекту СПП при Президиуме РАН на составную часть НИР «Комплексные исследования по созданию интегрированной системы информационно-аналитического обеспечения военно-экономического анализа и экспертиз мероприятий строительства, развития и содержания Вооружённых Сил Российской Федерации». (В. Б. Гусев, В. В. Павельев).

В 2005–2007 гг. коллективом лаб. №№ 40 и 43 проводились работы по программе инновационного развития Хабаровского края, включавшие создание программы комплексного развития региона и формирования программы инновационного развития региона (Ф. Ф. Пащенко, В. И. Антипов, П. Х. Зайдфудим, В. Б. Гусев, В. В. Павельев, А. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян).

По заказу Департамента науки и промышленной политики Москвы в рамках работ по концепции управления мегаполисом были разработаны рекомендации по совершенствованию развития сфер промышленности Москвы, структуризации проблем, разработке критериев оценки состояния и предложений по новой системе управления мегаполисом (Ф. Ф. Пащенко, П. Х. Зайдфудим, В. Б. Гусев, В. В. Павельев, А. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян).

Лаб. №№ 40, 43 участвовали в работах по Программе Президиума РАН «Разработка методов, механизмов и процедур управления инновационным развитием, природоохранной деятельностью, диверсификацией хозяйственной деятельности природно-техногенных систем при освоении месторождений полезных ископаемых» (Ф. Ф. Пащенко, В. Б. Гусев, В. В. Павельев, А. Ф. Пащенко, И. С. Дургарян, К. Б. Норкин).

В результате анализа динамических моделей функционирования саморазвивающихся систем с автономным управлением были определены условия нормального и кризисного функционирования организационных, производственных, экологических систем. Построены модели сбалансированного воспроизводства в многоотраслевой экономической системе. Предложен метод анализа чувствительности экономики к изменению отраслевых затрат. На основе многоотраслевой модели региона интенсивного освоения природных ресурсов разработан метод расчёта параметров диверсификации производства (В. Б. Гусев).

В рамках методологии анализа инновационного развития на макро- и микроуровнях рассмотрены модели и сформулирована концепция совершенствования управления инновационным развитием региона (В. Б. Гусев, Ф. Ф. Пащенко).

В лаб. № 40 действует молодёжная научная школа «Гибридные методы моделирования и управления сложными системами и их применение к объектам междисциплинарной природы». Участники школы – молодые сотрудники лаборатории, а также аспиранты и студенты ведущих университетов России. Более десяти участников школы стали кандидатами технических наук.

Сотрудники лаборатории активно участвовали и участвуют в общественной и государственной деятельности – трое из них работали в ранге министров и зам. министров: о К. Б. Норкине уже говорилось, д.б.н., проф. П. Х. Зайдфудим – первый заместитель председателя Госкомсевера России и заместитель министра РФ по делам национальностей и региональной политике, а В. А. Быков – заместитель министра спорта и зам. председателя Олимпийского комитета СССР.

По результатам исследований выпущено более 100 научных отчётов, более 60 монографий (некоторые из них выдержали уже по 3-5 переизданий), более 10 сборников статей, более 40 методических, учебных пособий и препринтов, опубликовано более 1000 научных работ, включая публикации в ведущих журналах «Доклады РАН», «Автоматика и телемеханика», SIAM Journal on Control and Optimization, Mathematical Notes, Computer Science, SENSORS, Neural Computing and Applications, Expert Systems with Applications, получено более 80 авторских свидетельств и патентов. Сотрудники лаборатории принимали участие во многих международных и российских конференциях и семинарах. По результатам исследований сотрудниками лаборатории и соискателями из других организаций защищено более 10 докторских и 20 кандидатских диссертаций (в числе соискателей – граждане Болгарии, Венгрии, Вьетнама и стран СНГ). В настоящее время бывшие аспиранты и сотрудники лаборатории работают в научно-исследовательских центрах и университетах Болгарии, Венгрии, ФРГ, Франции, США, Австралии, Вьетнама, Узбекистана, Грузии, Украины и других стран.

Сотрудники лаборатории являются главными редакторами и членами редакционных советов ведущих научных журналов, входящих в базы цитирования RSCI, ВАК, являются членами экспертных советов ВАК, РАН, научных фондов, профессорами и членами ученых и диссертационных советов ИПУ РАН, МГУ, МФТИ, МЭИ, РХТУ, РУНГ и других вузов, участвуют в работе программных и организационных комитетов многих ведущих международных конференций.