Лаборатория № 41 «Идентификации систем управления им. Н.С. Райбмана»

С 2016 г. коллектив лаборатории объединяет сотрудников лаб. № 41 и бывшей лаб. № 35 – методов автоматизации производства. Основным направлением научных исследований лаборатории является построение моделей реальных объектов, процессов, систем управления на основе данных реального функционирования – идентификация.

Фундаментальные результаты способствуют разработке широкого спектра практических приложений. Одним их основных направлений практического применения разрабатываемых методов и алгоритмов традиционно являлись производственные процессы, поэтому объединение лабораторий способствовало разработке новых методов в этой сфере.

Основатель и первый зав. лаб. № 41 Наум Самойлович Райбман

Лаборатория образована в апреле 1968 г. Инициатором её создания, организатором творческого коллектива и первым заведующим стал доктор технических наук, профессор Наум Самойлович Райбман.

Н.С. Райбман стал одним из первых в мире учёных, кто способствовал становлению идентификации как важного самостоятельного раздела общей теории управления.

Сегодня научные работы Н.С. Райбмана считаются классическими в теории идентификации. Он был замечательным организатором, создавшим научную школу. К моменту его ухода из жизни в 1981 г. лаборатория успела завоевать научный авторитет не только в институтском и союзном, но и в мировом масштабе.

С самого начала научные разработки лаборатории имели выраженную инновационную направленность: сочетание теоретических результатов с инженерными разработками.

Основными теоретическими достижениями в первое десятилетие лаборатории были:

  • обоснование и развитие дисперсионных методов идентификации нелинейных объектов;
  • разработка теории адаптивной идентификации нестационарных систем; постановка и обоснование минимаксного (игрового) подхода к идентификации;
  • синтез методов и алгоритмов идентификации и управления в замкнутом контуре управления.

Одним из первых примеров реально работающих систем, приближённо, но эффективно реализующих теорию дуального управления Фельдбаума, стала разработанная сотрудниками лаборатории адаптивная система управления с идентификатором – АСИ). В 1976 г. эта прикладная разработка для Первоуральского новотрубного завода была отмечена Государственной премией СССР. Большую роль в этой работе сыграл Валентин Маркович Чадеев (ныне д.т.н., проф.).

Другим брендом лаборатории были результаты исследований в таких областях, как надёжность (информационная и аппаратная), резервирование, управление запасами и массовое обслуживание, проводимых кандидатами технических наук В.А. Лотоцким и А.С. Манделем.

Владимир Алексеевич Лотоцкий

С апреля 1981 по 2006 гг. руководителем лаборатории был доктор технических наук, профессор Владимир Алексеевич Лотоцкий, учёный с мировым именем, в течение многих лет активный деятель Международной федерации автоматического управления (IFAC), специалист в области теории идентификации и адаптивного управления, теории надёжности и теории управления запасами, в течение многих лет руководитель секции «Управление производственными процессами» Учёного совета Института.

Зав. лаб. № 41 Наталья Николаевна Бахтадзе

С 2006 г. лабораторию возглавляет доктор технических наук, профессор Наталья Николаевна Бахтадзе.

Стержнем научных работ лаборатории были и остаются фундаментальные и прикладные исследования процесса идентификации динамических линейных и нелинейных систем. Разработаны методы синтеза основного контура в линейных системах с неполной информацией о статистических характеристиках внешних возмущений, проведено исследование вырожденных задач и условий вырожденности линейно-квадратичных задач синтеза для линейных объектов со стационарными возмущениями. Созданы методы автоматизации управления технологическими процессами на основе синтеза робастно-оптимальных систем с использованием идентификационного подхода к построению внутренних моделей внешних возмущений. Активно разрабатываются методы идентификации локальной структуры стохастических идентификационных моделей на основе состоятельных мер зависимости случайных величин. Исследуются характеристики и информационные возможности алгоритмов структурной идентификации. Разрабатываются методы построения прогнозирующих виртуальных моделей нелинейных нестационарных систем на основе вейвлет-анализа. Ведутся работы по созданию концепции оценки качества программного обеспечения, связывающие на системном уровне характеристики качества кода, критерии и метрики.

Сегодня, на фоне экспансии информационных технологий и технологий управления в самые разнообразные сферы человеческой деятельности, в развитии теории и методов управления наблюдается отчётливая тенденция их дальнейшей конвергенции с методами искусственного интеллекта. В особенности это относится к сфере производства – как в интегрированных системах управления, так и в специализированных системах на разных уровнях процесса производства. В лаборатории разрабатываются алгоритмы идентификации и имитационного моделирования, основанные на знаниях, формируемых и обновляемых по результатам интеллектуального анализа данных функционирования производственных процессов в виде выявляемых закономерностей. Алгоритмы, получившие название «ассоциативный поиск», осуществляют моделирование в реальном времени процесса принятия решений об управлении оператором технологической установки в системах управления реального времени. Разработаны методы нечёткого моделирования и нечёткой кластеризации. Предложены критерии устойчивости динамических объектов на основе исследования спектра кратно-масштабного вейвлет-разложения.

Созданы теоретические основы идентификационного анализа как интеллектуальной базы интегрированной информационно-управляющей структуры производства с использованием современных информационных технологий с учётом косвенных измерений производственных показателей в условиях единого информационного пространства.

Валентин Маркович Чадеев

Сфера внедрения теоретических разработок лаборатории расширяется: в промышленности это – разработки энергосберегающих систем в металлургическом производстве с использованием интеллектуальных методов и алгоритмов управления прокатным и электросталеплавильным производством, идентификационных моделей технологических процессов химической, нефтехимической и других отраслей промышленности. Создаются методы имитационного моделирования для проектирования крупных автоматизированных технологических комплексов. Ведётся разработка методов управления уровнем автоматизации технологических процессов, включая оценку эффективности самовоспроизведения промышленных роботов.

Разработаны интеллектуальные алгоритмы идентификации нелинейных динамических моделей энергообъектов, основанных на индуктивном обучении. Создана методика синтеза системы интеллектуальной динамической оценки состояния энергосистем на базе мультиагентных технологий.

Разработаны методы автоматизации управления текущим коммерческим бюджетированием и ценообразованием продукции предприятий с использованием методов управления запасами. Созданы методы разработки программ стимулирования сбыта производимой продукции с применением моделей и алгоритмов оптимального планирования инвестиционных проектов.

Разрабатываются методы создания мультиагентных информационно-управляющих систем поддержки управления на основе прогнозирующего идентификационно-симуляционного моделирования с использованием систем автоматизации имитационных исследований облачного типа.

Зуфар Гарифуллинович Салихов

Разработаны и внедрены десятки информационно-аналитических систем и систем поддержки принятия решений, среди которых: экспертно-статистическая система поддержки принятия решений и управления маркетингом коммерческих компаний на базе адаптивных и робастных алгоритмов; система управления трейдингом и стресстестингом на основе прогнозирующих моделей; система анализа и оптимизации экономической эффективности маршрутов, расписания и загрузки авиарейсов; автоматизированная распределённая система контроля и оптимизации продаж туристических услуг туроператора. Разработаны методы построения прогнозирующих моделей урожайности зерновых культур в зависимости от внесения минеральных удобрений на основе алгоритмов ассоциативного поиска. Созданы методы прогноза состояния ресурсов производства и прогнозирования нештатных ситуаций на основе интеллектуального анализа данных.

С 2013 г. в лаборатории функционирует группа сотрудников во главе с д.т.н., проф. З.Г Салиховым. Группа занимается разработкой и реализацией проектов по созданию высокоэффективных самоорганизующихся систем управления с идентификатором для сложных технологических комплексов металлургических предприятий.

Эммануил Львович Ицкович

Группа, которая стала частью коллектива лаборатории на основе бывшей лаб. № 35, продолжает исследования в области методов автоматизации производства.

Лаб. № 35 была создана 1 января 1969 г. на базе группы сотрудников лаб. № 15, руководимой тогда одним из ведущих специалистов страны в области приборостроения и систем автоматического контроля, профессором, доктором технических наук, лауреатом Государственной премии СССР Дмитрием Ивановичем Агейкиным. Эта группа работала под началом Эммануила Львовича Ицковича (ныне д.т.н., проф.), который и стал заведующим вновь образованной лаборатории.

Научно-исследовательские работы лаб. № 35 разных лет были сконцентрированы на решении задач автоматизации, которые в настоящее время наиболее актуальны и достаточно востребованы на предприятиях разных технологических отраслей. К основным результатам лаб. № 35 относятся:

  • Разработка методов: обследования текущего уровня автоматизации производства, обоснования концепции рационального развития систем автоматизации, создания конкретных технических требований на перспективные системы автоматизации и на построение MES (интегрированной системы автоматизации производства).
  • Методика разработки концепции совершенствования системы технического обслуживания и ремонта основных фондов предприятий технологических отраслей.
  • Разработка алгоритмов составления рациональных графиков планово-предупредительных ремонтов оборудования и графиков проведения анализов качества материальных потоков в лабораториях предприятий на базе теории расписаний.
  • Разработка методов и алгоритмов текущей и прогнозируемой оценок значений качественных показателей производства на базе измеряемых физических величин производства и редких лабораторных анализов качественных показателей.
  • Разработка методических и алгоритмических основ создания компьютерной технологии поддержки принятия решений на основе анализа геолого-маркшейдерской информации на добывающих и обрабатывающих предприятиях, эксплуатирующих открытым способом месторождения твёрдого минерального сырья.
  • Участие в разработке технологий построения интегрированных систем управления подвижными объектами и создания для них тренажёрных систем.
  • Разработка научных и методических основ построения перспективных систем интеллектуального управления объектами горнодобывающей промышленности (в рамках международного гранта с Академией наук Вьетнама).
  • Разработка алгоритмов контроля и учёта работы производства технологического типа на основе методов статистического анализа.
  • Исследование путей повышения безопасности функционирования движущихся объектов с использованием новых подходов к управлению движением и интеллектуальных систем поддержки и принятия решений.

Апробация и практическое внедрение разработанных методов и алгоритмов решения задач автоматизации производства за последние годы (совместно с другими организациями):

  • Консалтинг проектирования систем автоматизации всех уровней для железорудного карьера и горно-обогатительного комбината в провинции Хатинь, Вьетнам.
  • Анализ стратегии развития в области АСУ ТП и метрологии на всех предприятиях «Татнефть».
  • Сравнительный анализ поставщиков решений в области автоматизации нефтеперерабатывающего производства заводов «Башнефть».
  • Обследование существующей системы контроля, учёта и управления работой производства на Новокуйбышевском нефтеперерабатывающем заводе и создание концепции её развития.
  • Обследование инфраструктуры и бизнес-процессов оперативного управления производством на Куйбышевском нефтеперерабатывающем заводе и разработка технических требований на построение отдельных компонентов MES.
  • Предпроектное обследование с целью создания автоматизированной системы мониторинга и управления энергоресурсами и разработка технических требований на систему на Комсомольском нефтеперерабатывающем заводе.
  • Предпроектное обследование и разработка технических требований на автоматизированную систему мониторинга и управления энергоресурсами на Ангарском заводе полимеров.
  • Участие в работах по созданию и внедрению сетевого моделирующего комплекса и программного обеспечения для исследования перспективных систем управления движением подводных объектов.
  • Участие в разработке модельного комплекса жидкостных ракетных двигателей с целью предотвращения развития аварийных ситуаций при проведении их огневых и лётных испытаний.

В течение нескольких последних лет проводился анализ современных АСУ производственных объектов и перспектив их развития. Соответствующий аналитический обзор опубликован в выпущенной монографии и содержит следующие разделы: 

  • описание и сопоставление технических и программных средств автоматизации, выпускаемых ведущими производителями;
  • сравнительный анализ вариантов программно-технических комплексов распределённых систем управления;
  • анализ рациональных методов планирования, построения и функционирования АСУ;
  • обзор направлений развития АСУ и его средств;
  • содержание перспективных алгоритмов автоматического контроля, учёта и управления производственными объектами;
  • предложения и обоснования состава организационных мероприятий на предприятиях, способствующих эффективной эксплуатации АСУ.

Предложены и обоснованы необходимые изменения и расширения функций и структуры АСУ ТП, которые необходимо предусматривать при совершенствовании существующих и при планировании разрабатываемых АСУ ТП на предприятиях технологических отраслей для постепенного, эволюционного развития АСУ ТП всех агрегатов производства требованиям построения и функционирования цифрового предприятия.

Разработаны методы и алгоритмы развития лабораторных информационных систем (ЛИМС) технологических предприятий, повышающие информативность дискретных во времени лабораторных анализов качественных показателей материальных потоков производства и получающие уточнённые оценки текущих значений этих показателей и прогнозы их нахождения в заданных технологом диапазонах. Сформулированы и апробированы на конкретных промышленных примерах алгоритмы математической обработки последовательности результатов анализов показателей с помощью совместного использования двух программных модулей:

  • комбинации статистической экстраполяции и скользящего среднего,
  • специально отобранных контрольных карт. Обоснована и показана на конкретных промышленных примерах повышающаяся информативность ЛИМС при использовании предлагаемых алгоритмов.

Разработаны алгоритмы анализа и прогнозирования сигналов, описываемых стационарными и нестационарными временными рядами:

  • онлайн и офлайн обнаружение нарушений взаимосвязей между сигналами;
  • онлайн обнаружение изменений в трендах;
  • онлайн-фильтрация сигналов, которая минимизирует «краевые эффекты» и позволяет выявлять изменения трендов с минимальной задержкой.

За 50 с лишним лет объединённым коллективом сотрудников лаборатории опубликованы сотни научных работ, в том числе более 50 монографий (часть из них переведена на английский и немецкий языки), получены десятки авторских свидетельств и патентов.

С начала 70-х гг. Н.С. Райбман активно устанавливал научные и дружеские контакты с «идентификаторами» всего мира. Эта традиция поддерживается и укрепляется сегодня.

В 2000–2015 гг. лаб. № 41 была организатором Международной конференции «Идентификация систем и задачи управления» (SICPRO, http://sicpro.org). Цель конференций SICPRO (всего было проведено 10 конференций) – собрать вместе учёных, работающих во всех областях современной теории управления, для обсуждения широкого круга вопросов, связанных с развитием теории и методологии идентификации, моделирования и управления, математической теории управления, параметрической и непараметрической идентификации, структурной идентификации и экспертного анализа, выбора и анализ данных, систем управления с идентификатором, идентификации в интеллектуальных системах, прикладных задач идентификации, имитационного моделирования, методического и программного обеспечения идентификации и моделирования, когнитивных аспектов идентификации, верификации и проблемы качества программного обеспечения сложных систем, глобальных сетевых ресурсов поддержки процессов идентификации, управления и моделирования.

С 2015 г. традиции конференций SICPRO реализуются в новом качестве – в формате ежегодно организуемых приглашенных секций System Identification for Manufacturing Control Applications (SIMCA) на симпозиумах и конгрессах Международной федерации автоматического управления (ИФАК).

Сотрудники лаборатории – постоянные участники международных научных мероприятий, члены их программных и организационных комитетов.

Лаборатория приняла активное участие в подготовке и проведении Институтом двух крупных мероприятий ИФАК: Международного симпозиума INCOM’09 (IFAC) в 2009 г. в Москве и симпозиума MIM’2013 в Санкт-Петербурге.

Н.Н. Бахтадзе в течение восьми лет работает заместителем председателя Технического комитета ИФАК по производственному моделированию для менеджмента и управления.

Сотрудники лаборатории являются членами программных комитетов многих международных научных конференций, входят в редакционные коллегии ведущих журналов по теории управления и её приложениям, являются членами диссертационных советов, ведут активную преподавательскую деятельность, председательствуют в ГЭК и ГАК различных вузов.

Традиции лаборатории, её доброжелательный климат и творческий настрой поддерживаются молодыми сотрудниками и аспирантами.