Лаборатория № 3 «Систем логического управления»

МАГОснователем лаборатории является знаменитый МАГ, член-корреспондент АН СССР, д.т.н., профессор Михаил Александрович Гаврилов. Он был приглашён в Комиссию по автоматике, телемеханике и диспетчеризации, созданную в 1934 г. Лаборатория по релейной телемеханике (будущая лаб. № 3) входила в состав Комиссии, преобразованной в 1939 г. в Институт автоматики и телемеханики (ИАТ). Лабораторию в составе ИАТа возглавил М. А. Гаврилов.
Лаборатория № 3 во главе с М. А. Гавриловым занимается телемеханикой более 20 лет. Ряд новых разработок был внедрён в различных отраслях народного хозяйства страны. Это системы и устройства телемеханики и релейной автоматики для энергосистем, нефте- и газопроводов, мелиоративного хозяйства, угольных шахт, кранового и транспортного хозяйств предприятий, сооружений подземной газификации угля, водопроводных станций, метрополитена и железнодорожных сортировочных горок.
В 1938—1946 гг.М. А. Гаврилов (опираясь на результаты по применению алгебры логики для представления параллельно-последовательных релейных схем, полученные В. И. Шестаковым) разработал теорию релейно-контактных схем (РКС), в которой впервые на высоком математическом уровне предложил подход к решению основных задач проектирования РКС: формализации условий работы, анализа и синтеза структур. Эти результаты легли в основу его вышедшей в 1950 г. первой в мире монографии по теории синтеза структур дискретных устройств. За развитие этой теории в 1958 г. Президиум АН СССР присудил М. А. Гаврилову премию им. П. М. Яблочкова, в 1963 г. он избирается членом-корреспондентом АН СССР.
Под руководством М. А. Гаврилова была создана всесоюзная научная школа, охватывающая все республики и крупные города СССР, в рамках которой получили развитие на мировом уровне методы анализа и синтеза конечных автоматов, модели коллективного поведения автоматов, методы надёжностного синтеза, теория схем с самоконтролем, теория однородных сред, методы проектирования распределённых систем логического управления, теория языков логического управления.
После смерти Михаила Александровича в 1979 г. заведующим лабораторией был назначен его ученик, доктор технических наук, профессор Александр Артёмович Амбарцумян.


АЛЕКСАНДР АРТЁМОВИЧ АМБАРЦУМЯН РУКОВОДИТ ЛАБОРАТОРИЕЙ 30 ЛЕТ
Амбарцумян Александр АртёмовичАлександр Артёмович Амбарцумян родился 31 октября 1943 г. в станице Вознесенская Малгобекского района Чечено-Ингушской АССР.
В 1966 г. окончил Омский политехнический институт по специальности инженер-механик по автоматизации производственных процессов. В 1970 — 1973 гг. был аспирантом Института проблем управления АН СССР по специальности «Техническая кибернетика». В 1973 г. защитил кандидатскую диссертацию на тему «Автоматизация проектирования иерархических структур дискретных управляющих устройств на наборе унифицированных блоков (на примере технологического оборудования машиностроения)».
В 1997 г. Александр Артёмович защитил докторскую диссертацию на тему «Концепция, методы и инструментальные средства сквозного проектирования логических алгоритмов в системах управления потенциально опасными технологическими процессами».
В 1998 г. ему присвоено учёное звание профессора по специальности: «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей». А. А. Амбарцумян — известный учёный в области информационных технологий управления потенциально опасными технологическими процессами, системотехники АСУ ТП и логического управления. Им опубликован ряд монографий и десятки статей в ведущих научных журналах.
А. А. Амбарцумяном разработаны оригинальные модели логических алгоритмов, учитывающие специфику распределённых систем управления (структурированные автоматы и след автомата), сформулированы критерии и методы проверки корректности логических алгоритмов на сетях Петри; получены оценки сложности структурирования логических алгоритмов. В 2000 — 2007 гг. им выдвинута концепция и сформулированы принципы создания нового типа автоматизированных систем — систем, защищённых от ошибок человека, составляющих научную базу разработки АСУ ТП нового поколения с высокой степенью автоматизации, безопасности и качества управления технологическими процессами.
Теоретические результаты А. А. Амбарцумяна и его опыт в проектировании востребован в ряде проектов АСУ ТП, в том числе в системном проекте АСУ ТП АЭС «Бушер». Под его руководством созданы и развиваются СПА-ПС — технические средства программируемой автоматики (в 1994 — 1997 гг. освоены в серийном производстве на ОАО «Автоматика» г. Омск). С 1997 г. СПА-ПС используются в проектах распределённых и сосредоточенных автоматизированных систем, важных для безопасности, на объектах атомной и тепловой энергетики, газо-нефтедобывающей и перерабатывающей промышленности.
Профессор А. А. Амбарцумян активно занимается педагогической и научно-организационной деятельностью. Он является председателем ГАК кафедры ИУ-3 МГТУ им. Баумана; членом редколлегии журнала «Проблемы управления», членом Учёного совета Института, членом одного из диссертационных советов ИПУ РАН.


Основное научное направление лаборатории в 80–90 гг. — исследование и разработка моделей, методов и информационных технологий логического управления и системотехника автоматизированных систем управления. В этом направлении в лаборатории были разработаны теория структуризации конечных автоматов и логических алгоритмов с оценкой сложности структурирования, методы верификации логических алгоритмов с помощью сетей Петри с целью обеспечения корректности логических алгоритмов (А. А. Амбарцумян); предложены оригинальные методы синтеза отказобезопасных асинхронных логических устройств (А. И. Потехин), и на их основе разработаны и изготовлены на предприятиях МРП (г. Зеленоград) три БИС на базе БМК (А. А. Амбарцумян, А. И. Потехин, С. К. Кузнецов, В. В. Белявский).
Одновременно с этим был разработан комплекс отказобезопасных средств программируемой автоматики (СПА-ПС) для построения низового уровня АСУ ТП.
Ведущие сотрудники лаборатории того периода (А. А. Амбарцумян, А. И. Потехин, Б. А. Лаговиер) осуществляли научное руководство и непосредственно участвовали в разработке СПА-ПС. Основные технические идеи, положенные в основу СПА-ПС, заключаются в распределённости, специализации, отказобезопасности и контролируемости процессов обработки и коммуникации. Средства СПА-ПС серийно освоены в производстве в 1994—1997 гг. (г. Омск, АО НПК «Автоматика»). Средства СПА-ПС сертифицированы органами Госстандарта РФ в качестве средств измерений и на соответствие требованиям ГОСТ РФ по безопасности. С 1997 г. СПА-ПС используются в проектах распределённых и сосредоточенных автоматизированных систем, важных для безопасности, для объектов атомной и тепловой энергетики, газо- и нефтедобывающей, а также перерабатывающей промышленности, металлургии и других производств с непрерывным и дискретным характером технологического процесса.
В рамках разработки Перспективной системы АСУ ТП АЭС лаб. № 3 возглавила работы в Институте по созданию концепции перспективной АСУ ТП АЭС. В лаборатории были разработаны новые принципы и методы создания АСУ с повышенной защитой от ошибок человека, что составляет научную базу разработки АСУ атомных электростанций (АЭС) нового поколения с высокой степенью автоматизации, надёжности и качества управления технологическими процессами.
Результаты работ по АСУ ТП АЭС обобщены в 2-х монографиях:

  • И. В. Прангишвили, А. А. Амбарцумян. Научные основы построения АСУ сложными энергетическими системами — М.: Наука, 1992.
  • И. В. Прангишвили, А. А. Амбарцумян. Основы построения АСУ сложными технологическими процессами — М.: Энергоатомиздат, 1994.

В 1990—2000 гг. коллектив лаборатории занимался созданием ряда конкретных АСУ ТП, в частности, разработаны:

  • система управления элеватором в г. Бутурлиновка Воронежской обл. (внедрена);
  • информационная система слежения за качеством теплоносителя в ТЦП (температура, давление, расход и т. д.); пилотный проект этой системы был реализован на двух ЦТП в СВАО г. Москвы, результат эксперимента позволил Департаменту энергетики Правительства Москвы определить техническую политику по автоматизации всех ЦТП в Москве;
  • технические проекты АСУ ТП-90, АСУ ТП-НП (нового поколения), АСУ ТП Бушер (совместно с АЭП Минатом);
  • в разработке системы управления технологическими процессами (ТП) нефтедобывающих предприятий (совместно с ООО «Лукойл», ООО «ТНК»).


Дожимная насосная станция компании «ТНК»

Научная деятельность 2000 — 2009 гг.
Основное научное направление лаборатории с 2000 года:
Разработка теоретических основ событийного моделирования объектов автоматизации и разработка на его основе методов проектирования систем управления ТП.

В 2000—2008 гг. в лаборатории разработана концепция и методы управления информационными и материальными потоками на основе событийных моделей объектов автоматизации.
Разработка теоретических основ событийного моделирования и управления ТП ведётся по следующим направлениям:

  • разработка событийных моделей технологических процессов поточного типа;
  • разработка методов управления технологическими процессами на основе событийных моделей;
  • разработка логических моделей объектов с поточной технологией;
  • исследование моделей ролевого включения персонала в управление сложными технологическими процессами;
  • разработка принципов построения и типовых механизмов для инструментальных средств проектирования и реализации распределённых автоматизированных систем управления технологическими процессами (SCADA нового поколения).

Основные результаты
Полученные результаты по разработке методов управления ТП позволяют перейти от управления по жёстким алгоритмам (как сейчас) к управлению по моделям ТП.
Разработана событийная модель структуры объекта управления и процессов поточного типа на примере нефтедобывающей отрасли, названная технологической сетью, которая включает:

  • модели компонент — агрегаты (арматура, насосы, емкости и т. д.);
  • модели материалопроводов (пассивные элементы — трубы, провода и т. д.);
  • процессы — технологически востребованные конфигурации (фрагменты технологической сети, установки, переделы и т. п.);
  • модели регламентов — активные технологические сценарии.

Модели Т. П. в схеме управления используются для представления в системе состояний реальных процессов и имитации их выполнения сменой состояний жизненного цикла модели как функции команд и событий, поступающих в систему, для задания локальной технологической цели и как источники данных, определяющих условия выполнения фаз жизненного цикла, условия целостности процесса, по которым осуществляется его мониторинг.

Линейный пункт перекачки газа ООО “Лентрансгаз” и его структурная схема

Благодаря указанным свойствам событийных моделей удалось построить схему управления процессами, основанную на интерпретации фаз технологического сценария, исполнения команд запуска (предусмотренных в фазе) и/или гашения технологических процессов, на основе обследования текущего состояния структуры технологической сети по её логической модели с использованием в механизмах управления структурой процессов принципа управления с обратной связью по отклонению текущего состояния структуры от требуемого. При этом активные технологические сценарии используются как программы достижения технологических целей производства. Исследован подход к контролю и ограничению действий персонала при управлении технологическими процессами на основе модели активных сценариев. Сценарии предусматривают разделение ролей персонала, участвующего в управлении процессом, по уровню принятия решений, руководству выбором варианта управления, координации различных исполнителей и функциям контроля исполнения заданий.
Предложен подход к созданию автоматизированной системы управления с введением нескольких типов диалога с персоналом, определяющих его роль при управлении в каждый момент. Диалоги соответствуют уровням принятия решений и позволяют адресовать запросы по полномочиям. Распределение функций управления между персоналом под руководством активных сценариев позволяет повысить эффективность управления и безопасность ведения процессов за счёт ограничения деятельности человека в контуре управления в рамках только тех действий, которые от него ожидаются в конкретной ситуации. Разрабатываются инструменты построения автоматизированных систем на основе предложенных моделей и механизмов управления.
Основные научные результаты по событийному моделированию обобщены в 2-х монографиях:

  • А. А. Амбарцумян, А. И. Потехин. Управление технологическими процессами поточного типа на основе событийного моделирования — М.: Гринвич, 2005.
  • А. А. Амбарцумян, С. А. Браништов. Событийные модели управления технологическими процессами, ориентированные на защиту от ошибочных действий персонала — М.: Гринвич, 2006.

Основные результаты также опубликованы в ведущих журналах («АиТ», «Проблемы управления»). С 2006 г. работа поддерживается грантом РФФИ.
В 2008 г. исследования по событийному моделированию обобщены в рамках теории дискретно-событийных систем. В лаборатории разработана и исследована новая модель СД2С2 — структурированные динамические дискретно-событийные системы как теоретическая база проектирования супервизорного управления множеством автономных компонент технической системы (А. А. Амбарцумян). Определён состав модели, исследован вопрос существования супервизора, управляемости заданной спецификации на СД2С2, сформулированы основные этапы технологии проектирования логического управления технической системой на основе предложенной модели анализа управляемости и метода синтеза супервизора.
По направлению событийное моделирование технологических процессов в лаборатории подготовлены и защищены кандидатские диссертации: Д. Л. Казанским (2004 г.), С. А. Браништовым (2008 г.)
С 2007 г. в составе лаборатории создана и работает школа молодых учёных, поддерживаемая грантом Института.

В составе лаборатории – 5 кандидата технических наук. Со дня образования лаборатории её сотрудниками опубликовано более 500 научных работ. Лаборатория постоянно участвует в работе российских и международных конференций (в том числе симпозиумов и конгрессов ИФАК). В 2003 г. лаборатория организовала и провела международную конференцию, посвящённую 100-летию со дня рождения М.А. Гаврилова.
В 2008–2012 гг. лаборатория (при финансовой поддержке РФФИ и активном участии других лабораторий Института) организовала и провела три Всероссийские конференции с международным участием «Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения» (УКИ-8, УКИ-10, УКИ-12).

После ухода из жизни А.А. Амбарцумяна в 2012 г.  исполняющим обязанности заведующего лабораторией назначен кандидат технических наук Сергей Александрович Браништов, а в 2016г. избран заведующим лабораторией №3.

 

Зав. лаб. № 3 Браништов С.А.

В настоящее время научные и прикладные исследования ведутся по двум основным направлениям:

1)      Интеллектуальные системы поддержки диспетчера железнодорожного транспорта;

2)      Фундаментальные проблемы поведения мобильных роботов среди людей.

По первому направлению разрабатываются методы дискретно-событийного моделирования железнодорожных объектов, методы синтеза супервизоров и методы группового управления в транспортной системе, направленные на цели повышения безопасности, пропускной способности.

В лаборатории были исследованы задачи автоматизации приготовления и выбора маршрута движения поездов на станции с разветвленной схемой путей. Разработан метод анализа топологий железнодорожных сетей и подход по алгоритмизации процесса управления поездной и маневровой работы.

Разработана обобщенная модель функционирования и управления группой автономных компонент дискретно-событийной (ДС) системы железнодорожного участка. В составе модели разработаны ДС-модели базовых объектов управления на ЖДТ (станций, перегонов, стрелок, локомотивов, вагонов, сортировочных станций, сортировочных горок). Модели компонент представлены в иерархических автоматных и цветных сетях Петри. Определена структура и правила взаимодействия моделей и процедура управления движением транспортных средств.

В ходе работы был проведен анализ технологии управления поездной работой на железнодорожной станции и анализ систем автоматизации диспетчерского управления; разработана база данных элементов путевого развития станции и алгоритмы синтеза суточного плана-графика и его исполнения для формирования маршрутов движения. Эксперименты показали способность алгоритма найти решение и построить график движения при различных условиях в приемлемое время (для оперативного принятия решения). Разработанный алгоритм используется для перерасчета графика движения при возникновении нештатной или аварийной ситуации и применяется для оперативного управления движением.

На основе этих подходов был создан прототип программного обеспечения для АРМ дежурного по станции, который включает следующие функции:

•    Интерфейс разработки схемы путевого развития станции. Он позволяет создавать схему станции из библиотеки созданных интерактивных элементов: участки пути, стояночные путей (приема-отправления, парковые, тупики), маневровые и маршрутные светофоры, стрелки и др.;

•    Расчет суточного плана-графика работы станции (исполняемого расписания) на основании схемы станции и расписания движения поездов. По информации о времени движения поездов и пункте следования автоматически строятся маршруты движения так, чтобы выполнялись требования безопасности (нескрещение маршрутов, интервалы следования, скорость) и точность исполнения расписания.

•    Динамическое перестроение суточного плана-графика работы станции –выполняется по указанию дежурного в любой момент времени, в случае нарушения расписания или для разрешения сложной или аварийной ситуации. При этом, алгоритм расчета расписания позволяет выполнять анализ эффективности расписания и использования инфраструктуры станции.

ПО АРМ дежурного обладает свойством универсальности и может быть использовано для различных станций.

Второе направление работ посвящено проблемам организации движения большого числа автономных мобильных роботов в неопределенной среде. Под неопределенностью среды подразумевается, что система управления обладает недостаточной информацией о свойствах среды функционирования для расчета управляющего воздействия до достижения цели, но может иметь знание о среде только в некоторой локальной окрестности. Такая среда характерна для неисследованного пространства либо когда пространство изменчиво. Исследуемая проблема актуальна, например, для автономных наземных роботов, движущихся группой в помещениях и среди людей, или для большого числа летающих роботов в городской среде.

В последнее время большим группам роботов уделяют много внимания. Роем называют такие системы, которые используют большое число агентов-роботов, пользующихся общими правилами поведения, чтобы достичь одну общую цель. Как правило, рой роботов должен работать в распределенном режиме управления и использовать малые ресурсы связи. Под эти требования в настоящее время активно разрабатываются новые алгоритмы управления и координации таких групп. Одна из самых сложных проблем, связанных с управлением роем, обуславливается движением большого количества роботов к одной и той же цели в одно и то же время, в результате чего возникают конфликты, которые требуют время на разрешение. Такая проблема может возникнуть, когда цели движения роботов совпадают или, когда группы движутся по пересекающимся, совпадающим маршрутам.

Большинство результатов, посвященных управлению движением и избеганию столкновений, получено для структурированных сред (на известной карте пространства), где навигация роботов происходит по выделенным путям и их пересечениям. В тех пересечениях, в которых возникает конфликт, он разрешается посредством расстановки приоритетов или согласования действий. Такие алгоритмы избегания столкновений разрабатываются и тестируются только для маленьких групп роботов. Для большого числа роботов эти алгоритмы неудобны, так как при распределенном управлении сложно осуществлять коммуникацию всем роботам друг с другом одновременно – задача требовательна к ресурсу времени. В таких случаях, хотя проблема локальных столкновений может быть решена, проблема же глобального затора остается нерешенной.

По этому направлению коллектив разрабатывает и исследует правила поведения мобильных роботов среди людей, при движении в помещениях и в толпе. Исследует методы представления и обработки знаний робота об окружающем пространстве, методы поиска и оценки траекторий движения, оценки конфликтных мест пространства. Ведет работы по созданию базовых правил поведения роботов в скоплении.

На повестке дня, еще одна большая и значимая задача – это исследование проблем координации и согласования поведения отдельных автономных роботов друг с другом. Исследование размера области информационного обмена для каждого робота, анализ и оценка эффективности управления информационным трафиком в зависимости от размера этой области. Разрабатываются требования к содержанию информационного обмена. Производится оценка нагрузки на сеть передачи данных.


MAIN RESULTS

-         formal methods of PLC program synthesis which based on Petri net model,

-         the models and methods of logic control of material flow processes;

-         the new principles and methods for design automation software with protection against human control error. It used as scientific base for development of nuclear power plants automation with a high degree of automation, reliability and quality of process control;

-         the theory that structuring the finite automata and logic algorithms with estimate of structuring complexity; the logical algorithm verification methods with Petri nets, which significantly increases efficiency and ensures the correctness of logical methods in a distributed control system architectures;

-         the concept of information and material flows management with its event models, according to the criteria of reliability and effectiveness of the control loops and interaction with operators in real time;

-         the approach of synthesis of supervisor for distributed discrete event system.

Scientific results applied in practice, some of them are: traffic management software for dispatcher of large train station, automation standards for Tumen Oil Company, technological safety system for Chemical Weapons Elimination Plant, telemetry system for Pump station of Tumen Oil Company, distributed control system for gas transporting company.

PRESENT RESEARCH

Real-time control of train traffic, safety, efficiency, automation possibility.

Autonomous transport.

Autonomous Robotic behavior in public environment.