Лаборатория № 40 «Интеллектуальных систем управления и моделирования»

Заведующий лабораторией № 40 Фёдор Фёдорович ПащенкоПосле аварии на Чернобыльской АЭС (1986 г.) примерно через год вышло Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР, в соответствии с которым Институт проблем управления назначался головной организацией по созданию высоконадёжных 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» (зав. сектором Ф. Ф. Пащенко) создаётся лаборатория № 40. Заведующим лабораторией был назначен кандидат технических наук Фёдор Фёдорович Пащенко (сегодня — д.т.н., профессор). В лаборатории были созданы два сектора: сектор 40.1 «Моделирования технологических процессов АЭС» (зав. сектором к.ф-м.н. Е. М. Сапрыкин); сектор 40.2 «Представление и образное отображение информации» (зав.сектором д.т.н. В. Г. Гришин), — и группа координации работ по АСУ ТП АЭС (руководитель Д. А. Шалабаев). В настоящее время в состав лаборатории входят 20 сотрудников, из которых 2 доктора наук (один — технических, другой — физико-математических), 8 — кандидаты (технических и физико-математических наук).

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, повышения интеллектуального уровня и надёжности систем управления и принятия решений.

Традиционные научные направления: 

  • 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.
  • 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.
  • Разработка систем информационной поддержки оперативного персонала.
  • Разработка систем функциональной диагностики в энергетике и других отраслях.
  • Разработка систем мониторинга государственных и отраслевых программ. 

В этих рамках 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.

При участии сотрудников лаборатории разработаны федеральные целевые программы «Социально-экономическое развитие Дальнего Востока и Забайкалья», «Социально-экономическое развитие Сибири», «Развитие коренных малочисленных народов Севера» и др.

В рамках перечисленных программ созданы теоретические основы построения 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 (Ф. Ф. Пащенко, к.т.н. Е. Е. Соколовский, к.т.н. В. М. Аксёнов, д.т.н. Г. Р. Болквадзе, д.ф.-м.н. С. Д. Алгазин и др.); 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 (зав. сек., к.ф.-м.н. Е. М. Сапрыкин, С. А. Молчанов, В. А. Воронина, В. Н. Судариков, к.т.н. Н. Колев, к.т.н. Р. Цветанов и др.).

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 Проектавтоматики и КМЗ (В. Б. Бройтман, Г. К. Бердичевский, В. Н. Кочубеев и др.) На разработанные методы и устройства управления получено около 20 авторских свидетельств.

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. С. Землянников, В. Н. Савушкин, В. Н. Сучкова и др.

Новые 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. 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 известные подходы к анализу и моделированию систем, такие как методы Винера-Хопфа, Л. Заде, Н. И. Андреева и др., и распространяет применение их на класс нелинейных систем. Для реализации метода разработан новый математический аппарат состоятельных мер зависимости случайных процессов — функциональных корреляционных и дисперсионных функций. Данный метод позволяет:

  • при построении моделей широкого класса нелинейных систем разбить процедуру структурной идентификации на несколько более простых последовательных стадий;
  • полностью формализовать выбор нелинейных преобразований входа и выхода без использования каких-либо эвристических соображений, ограничительных предположений о распределениях случайных процессов или о принадлежности искомых преобразований какому-либо параметризованному семейству;
  • построить конструктивные методы структурной идентификации и оценки структурных инвариантов систем (в частности, получены выражения для оценки состоятельных мер идентичности, моделей, мер нелинейности и стохастичности систем, обобщающих формулы классической дисперсионной теории);
  • построить теорию нелинейных стохастических систем, по своей конструктивности аналогичную теории линейных систем.

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, 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. При этом используются методы типовой идентификации с экспертным выбором из базы знаний, которая содержит значения дисперсионных функций входного и выходного процессов и каталог известных моделей системы. Построены генетические алгоритмы идентификации и алгоритмы моделирования на основе нечёткой логики и нейронных сетей. Подход эффективно использовался при моделировании нелинейных систем, описываемый моделями Гаммерштейна, Винера и Вольтера.
  • Информационные методы идентификации систем (к.т.н. И. С. Дургарян — в настоящее время сотрудник лаб. № 44). 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, содержащейся во входном сигнале о выходном сигнале и параметрах системы, которые позволяют максимально использовать всю имеющуюся информацию об исследуемом объекте. Информационные характеристики являются состоятельными характеристиками связи между случайными сигналами, что позволило создать новый класс состоятельных методов и алгоритмов исследования систем.
  • Научные основы построения человеко-машинных систем информационной поддержки оперативного персонала производств повышенного риска. В рамках этого направления разработаны методы решения триединой задачи: оценка состояния и диагностика объекта, прогнозирование хода технологического процесса и возможных нарушений и выработка управляющих воздействий, в том числе в виде советов оператору. Разработаны и созданы алгоритмические и технические средства автоматизации (Ф. Ф. Пащенко, Е. М. Сапрыкин, С. А. Молчанов, В. А. Воронина, В. Н. Судариков и др.).

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. Так как свойство анормальности присуще экстремальной задаче в достаточно общей постановке, то оно проявляется и в различных приложениях общей задачи типа задач математического программирования, вариационного исчисления и оптимального управления. 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). Предложены методы решения, в том числе аналитические, нелинейных задач целочисленного программирования (Ф. Ф. Пащенко).

Полученные необходимые условия являются развитием и обобщением классических необходимых условий, таких как принцип Лагранжа, уравнения Эйлера-Лагранжа и принцип максимума Понтрягина, на анормальные задачи. При этом в регулярном случае они непосредственно превращаются в классические условия, а в анормальном — дают содержательную информацию об экстремальных точках.

В рамках четвертого направления предложены подходы к анализу и синтезу новых и уже известных закономерностей в области электродинамики (д.т.н. Ф. Ф. Пащенко, к.т.н. Б. П. Бусыгин, к.т.н. В. В. Торшин). В частности, разработан метод логического моделирования законов электродинамики, позволяющий формализованным образом описывать различные законы электродинамики и синтезировать новые закономерности и модели. Предложенная методика формализации известных законов электродинамики дала возможность проектировать новые машины, устройства, датчики и механизмы с более высокими техническими характеристиками для широкого использования в разных областях промышленности (к.т.н. В. В. Торшин, к.т.н. Л. Е. Круковский, Ф. Ф. Пащенко, к.т.н. Б. П. Бусыгин). В рамках этой тематики опубликованы 7 монографий, получено 13 патентов. Предложенные подходы к построению новых механизмов получения энергии по аналогии распространяются и на другие области науки, в частности, на исследование и моделирование социальных процессов (кандидат социологических наук С. В. Зернов).

В рамках пятого направления сотрудники лаборатории одними из первых в СССР поставили вопросы, связанные с инновационным развитием страны. Разработаны методологические основы организации социально-экономических структур типа технополисов, технопарков, наукоградов, этнопарков и т. п. Разработана 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.

В 2003 г. в лаборатории начались теоретические исследования по процессам воспроизводства валового внутреннего продукта (ВВП) России и валового регионального продукта (ВРП) для ряда регионов (Ф. Ф. Пащенко, к.ф.-м.н. В. И. Антипов, к.ф.-м.н. О. Н. Белова, к.с.н. С. В. Зернов и др.; работа проводится совместно с лаб. № 36, 43 и 44 и др.). Исследованы вопросы устойчивости ВВП и ВРП, причины автоколебаний траектории ВВП в 1990—1998 гг. и особенности развития экономики России в последующие годы, что привело к созданию комплекса прогнозирующих моделей. Исследования показали, что колебания темпов ВВП происходят из-за наличия запаздывающего аргумента в валовом накоплении основного капитала. Была исследована качественная картина и количественные последствия предполагаемого вступления России в ВТО. Показано, что неподготовленное вступление в ВТО приведёт к спаду отечественного производства и сокращению занятости.

Понимание общих экономических закономерностей в воспроизводстве ВРП региона позволило связать его с отраслевыми показателями региона. Разработанные алгоритмы использовались для прогноза социально-экономического развития Московской области (совместно с ИПМ РАН) и Москвы на период до 2025 г. (совместно с НИИ Генплана Москвы).

Сотрудники лаборатории совместно с лаб. № 36, 43 и 44 разработали «Программу инновационного развития Хабаровского края», «Концепцию управления мегаполисом г. Москвы», «Исследование инновационного потенциала регионов Центрального Федерального округа», Программу совершенствования механизмов управления развитием научно-технического потенциала Москвы, участвовали в разработке стратегии развития Москвы до 2025 г. и ряда других региональных и отраслевых программ.

Результаты исследования сложных социально-экономических систем использовались при моделировании и исследовании систем жилищно-коммунального хозяйства в России и других странах (к.т.н. С. Н. Глазунов).

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» 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 (Е. М. Сапрыкин, С. А. Молчанов, К. А. Тепикин) и других энергетических объектах; при создании 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 — академик В. А. Трапезников, Ф. Ф. Пащенко и др., от ИАПУ ДВО — академик А. А. Воронов, д.т.н. В. В. Здор, Д. И. Бернацкий и др.); в машино- и станкостроении (совместно с ИМАШ — д.т.н. К. С. Сергеев, д.т.н. А. Ш. Колискор, к.т.н. Л. С. Додин), для управления биотехническими объектами (Ф. Ф. Пащенко, д.т.н., проф. В. А. Грабауров и др.); при разработке и создании АСУ ТП ТЭС «Нассирия» (Ирак) в рамках работ по модернизации, проводимых ОАО «Интерэнергосервис» (рук. Ю. В. Никонов, Р. А. Асфандияров и др.) и для других энергетических объектов.

По результатам исследований выпущено более 70 научных отчетов, более 20 монографий, 8 сборников статей и трудов конференций, более 40 методических и учебных пособий, опубликовано более 300 научных работ, получено более 50 авторских свидетельств и патентов. Сотрудники лаборатории принимали участие во многих международных конференциях и семинарах. По результатам исследований сотрудниками лаборатории и соискателями из других организаций защищено 7 докторских и 18 кандидатских диссертаций (некоторые из соискателей являются гражданами Болгарии, Венгрии и стран СНГ). В настоящее время бывшие аспиранты и сотрудники лаборатории работают в научно-исследовательских центрах и университетах Болгарии, Венгрии, ФРГ, Франции, США, Австралии, Узбекистана, Грузии, Украины и других стран.

В 1988 г. из лаборатории выделился научно-координационный отдел АСУ ТП АЭС, который с 1993 г. называется «Лаборатория автоматизированных систем управления технологическими процессами атомных станций».