Лаборатория № 29 «Системной интеграции средств управления»

Основатель и первый зав. лаб. № 29 Елена Карловна Круг

Лаборатория была создана в 1964 г. для разработки методологии проектирования систем прямого цифрового управления. Со дня образования до 1991 г. включительно лабораторию возглавляла заслуженный деятель науки, доктор технических наук, профессор Елена Карловна Круг.

Сейчас в составе лаборатории – 15 сотрудников, из них 2 доктора и 4 кандидата технических наук. За это время больше полутора десятка аспирантов успешно защитили диссертации, из них 8 сотрудников лаборатории получили степень кандидата технических наук, а 2 – доктора технических наук. Сотрудниками опубликовано 6 монографий, более 170 научных статей, получено 15 авторских заявок на изобретения.

С 1991 г. лабораторией руководит кандидат технических наук Юрий Сергеевич Легович.

В конце 60-х гг. лаборатория принимала участие в проекте, возглавляемом д.т.н. Б.Я. Коганом, по разработке первого в СССР аналого-цифрового вычислительного комплекса, явившегося основой Универсального моделирующего комплекса (УМК) на ММЗ им. С.В. Ильюшина. Комплекс предназначался для отработки ручной системы управления самолётом Ил-62. Первый контакт с авиационной промышленностью на много лет определил направление исследований: разработка теории, методов и средств автоматизации научного эксперимента. Были разработаны и реализованы принципы построения многоуровневых систем управления натурным экспериментом, систем моделирования и идентификации динамических параметров объекта. Работа проводилась совместно с ЦАГИ и ММЗ им. С.В. Ильюшина, МНТК «Надёжность машин» (ИМАШ РАН). В процессе управления и обработки результатов выполненных натурных экспериментов был получен богатый практический опыт, который в дальнейшем реализовали при разработке программных пакетов SAD – сбор, обработка и анализ данных и EMP – подбор эмпирических формул. Впоследствии эти пакеты не только использовались во всех проводимых лабораторией работах, но и нашли применение в других научных организациях. Разработанная методика управления, алгоритмы, программы, комплекс технических средств использовались при создании системы автоматизации прочностных испытаний авиационных конструкций на ММЗ им. С.В. Ильюшина. Под научно-методическим руководством ИПУ и при активном участии сотрудников лаборатории созданная система успешно использовалась при проведении статических испытаний на прочность серии самолётов ИЛ-76, -86, -96). К середине 90-х гг. для обеспечения более тесного научно-технического сотрудничества Института с ЦАГИ и ММЗ им. С.В. Ильюшина было принято решение о строительстве на территории ИПУ силами ММЗ здания для межведомственной лаборатории. Завершить проект создания лаборатории не позволила начавшаяся в стране перестройка.

Опыт, полученный лабораторией при разработке УМК, позволил приступить к созданию целой серии разнообразных тренажёров.

Зав. лаб. № 29 Юрий Сергеевич Легович

В 1990–2002 гг. совместно с лаб. № 5 и кафедрой ОИ ВМФ Академии Генштаба ВС выполнялся комплекс работ по исследованию и разработке теоретических и методологических основ и программного обеспечения (ПО) системы имитационного моделирования вооружённой борьбы противодействующих группировок. В рамках этого направления был создан комплекс имитационного моделирования сложных организационных систем и процессов их функционирования. Помимо ПО для управления процессом моделирования и регистрации результатов лабораторией были разработаны картографический интерфейс, обеспечивающий взаимодействие имитационной системы непосредственно с офицерами высшего звена, стохастическая модель боевого столкновения группировок, расчёт соотношения сил, базы данных боевых соединений.

Использование имитационного моделирования позволило исследовать процессы взаимодействия противоборствующих систем на оперативно-стратегическом и оперативно-тактическом уровнях. Результатом работ стало внедрение оперативно-тактического тренажёра. Разработка такого тренажёра для кафедры ОИ ВМФ Академии Генштаба ВС позволила создать впервые в стране комплексную систему имитационного моделирования вооружённой борьбы противодействующих группировок.

С середины 90-х гг. основным направлением лаборатории становится разработка теоретических и методических основ системной интеграции средств управления. На основе современных подходов к формализации описания технико-экономических свойств основных составляющих систем управления сложными объектами разрабатываются методы автоматизации процесса синтеза систем в соответствии с заданными обобщёнными показателями качества. Проводятся теоретические и практические исследования современного состояния средств автоматизации управления за рубежом.

Система управления промышленной электропечью

Первым шагом в направлении проверки эффективности разработанных в лаборатории методик было создание в 1996 г. системы управления промышленной рудотермической электропечью «Кремний» для выплавки кремния на Запорожском алюминиевом комбинате (ЗАЛК). По условиям, заданным ЗАЛК, лаборатории пришлось конкурировать с московским представительством такого известного мирового системного интегратора, как компания Siemens AG. В процессе создания системы основные проблемы были связаны с новизной объекта, жёсткими сроками реализации и очень большими электромагнитными помехами. Такой объект управления, как печь, оказался неустойчивым, что придавало особое значение не только алгоритмам управления, но и надёжности технических средств. Впервые в отечественной практике система прямого цифрового управления была с успехом реализована на основе индустриального компьютера, расположенного в непосредственной близости от печи. Это позволило доверить управление системой непосредственно пла¬вильщику без участия специального оператора. Система эксплуатируется до сих пор в круглосуточном режиме.

В дальнейшем был создан ряд автоматизированных систем управления новыми электродуговыми печами:
  –  Информационно-регистрирующая система управления вакуумной дуговой печью ВДУ-52 «Регистр» на Ступинском металлургическом комбинате (1999).
  –  Система автоматизированного управления вакуумной дуговой печью ДСВ-4, 5Г2И2 «АВАК» на Ступинском металлургическом комбинате (2000).
  –  Система автоматического управления вакуумной индукционной печью на «Красном выборжце», Санкт-Петербург (2001).
  –  Система автоматического управления вакуумной дуговой печью на «Красном выборжце», Санкт-Петербург (2002).

Ещё одним направлением деятельности лаборатории стало решение экологических проблем.

Одно из таких решений – разработка методических основ, теории и методов практической реализации лазерного зондирования аэрозольного загрязнения атмосферного воздуха. Работа проводилась при научно-техническом сотрудничестве с Институтом прикладной геофизики (ИПГ), Центральной аэрологической обсерваторией (ЦАО), кафедрой нелинейной оптики МГУ. Методология получения и обработки результатов лазерного зондирования для оценки концентрации и размеров частиц была доведена до практической реализации. Разработанные параметрические методы оценки содержания загрязняющих веществ по спектрометрическим измерениям позволили выполнить большой комплекс работ по оценке уровня загрязнения, источником которого являются промышленные объекты. Был проведён комплекс натурных экспериментов по идентификации параметров модели оценки концентрации и размеров частиц в процессе изучения выбросов из труб промышленных предприятий на Литовской ГРЭС и Прибалтийской ГРЭС в Эстонии.

С 2003 г. лаборатория принимает активное участие в комплексной теме, начатой под руководством И.В. Прангишвили. Это разработка теории и методов построения систем экологического мониторинга объектов повышенной опасности применительно к объектам по уничтожению химического оружия.

Расчёт затухания сигнала в беспроводных системах передачи данных

В рамках данной темы лаборатория выполнила исследования и разработку структуры, состава комплекса технических средств информационно-аналитического центра системы экологического мониторинга, беспроводной сети сбора информации от территориально распределённых автоматических пунктов контроля, включая каналы сбора и передачи данных. Выработанные решения явились типовыми для всех объектов по уничтожению химического оружия, обеспечили безотказную работу системы в течение всего срока эксплуатации объекта и легли в основу ряда систем:
  –  Информационно-аналитической системы (ИАС) сбора и обработки данных производственно-экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия, которая была внедрена в посёлке Горный Саратовской области (2003–2005);
  –  ИАС сбора и обработки данных производственно-экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия – в г. Камбарка Удмуртской Республики (2004–2006).;
  –  ИАС сбора и обработки данных производственно-эко¬логического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия – в посёлке Марадыково Кировской области (2005–2007);
  –  ИАС сбора и обработки данных производственно-эко¬логического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия – в посёлке Леонидовка Пензенской области (2006–2008).

Система информационной поддержки принятия решений главным экологом

В основу центра обработки был положен 3-серверный кластер с возможностью горячей замены всех узлов серверов. В качестве каналов передачи данных впервые использованы беспроводные каналы на основе технологии WiFi и GSM. Были разработаны методы проектирования беспроводных каналов связи технологии WiFi повышенной дальности. Отметим, что, несмотря на достаточно широкое распространение за рубежом технологии WiFi, практически отсутствуют системы автоматизации процесса синтеза беспроводных каналов, учитывающие конкретные параметры передающих и принимающих антенн, реального рельефа местности и типа подстилающей поверхности. Именно такая система была разработана в лаборатории и с успехом использовалась при проектировании беспроводной сети сбора данных систем экологического мониторинга. Другим важным результатом было создание беспроводной сети передачи данных для мобильных экологических лабораторий.

Моделирование распространения аэрозольных загрязнений

Дальнейшее развитие теоретических и практических работ по экологическому мониторингу в лаборатории было направлено на создание алгоритмов и программ для обработки данных наблюдений при решении следующих задач:
  –  исследование экологического состояния в зоне объекта по уничтожению химического оружия;
  –  информационная поддержка принятия решений главным и дежурными экологами;
  –  формирование обобщённой экологической информации и передача её в надзорные органы.

Значительное внимание в лаборатории уделяется разработке численных моделей физических процессов, позволяющих проводить численные эксперименты в реальном времени. Так была разработана численная модель химического промышленного реактора с выделенным объёмом. Проведенные с моделью численные эксперименты были подтверждены результатами, полученными на работающем реакторе, что явилось доказательством адекватности разработанной модели.

В последние годы сформировалось несколько устойчивых направлений деятельности лаборатории.

Направление 1. Методология оценки структурной целостности сложных систем. (И.С. Павловский)

На основе теоретических исследований понятия «целостность» в рамках общей теории систем, с учётом философских взглядов на данное понятие разработана методология оценки структурной целостности сложных систем.

Методология включает:
  –  показатели структурной целостности;
  –  однородную модель взаимодействия элементов сложной системы;
  –  метод синтеза сетевой структуры на основе интеграции однородных моделей взаимодействия элементов сложной системы;
  –  метод иерархической структуризации сетевой структуры;
  –  методы выявления фрагментов и противоречий в иерархической структуре сложной системы;
  –  алгоритмы реализации указанных методов.

Методология реализована в виде программного комплекса и протестирована при исследовании терминологических стандартов и словарей.

Разработанная методология легла в основу дальнейших исследований в интересах решения проблемы системной интеграции изменений в сложной гетерогенной робототехнической системе управления (ГРТСУ) с перестраиваемой структурой. Под гетерогенностью ГРТСУ понимается способность (готовность) каждого робота (элемента управления) перейти к одной из функций управления (измерительной, контрольной, выработки управляющего воздействия, исполнительной) в зависимости от изменяющейся в процессе управления обстановки. Изменение выполняемых роботами функций управления приводит к необходимости согласования (системной интеграции) элементов управления в условиях новой структуры ГРТСУ. Под структурной целостностью понимается состояние структуры ГРТСУ, при котором отсутствуют противоречия в связях управления между роботами. Результаты оценки структурной целостности ГРТСУ позволят оперативно выявить указанные противоречия при перестроениях в ГРТСУ.

Содержание данных исследований составляет:
  –  разработка методов и алгоритмов формирования вариантов изменяемой структуры ГРТСУ;
  –  оценка структурной целостности сформированных вариантов;
  –  сравнительный анализ результатов оценки целостности сформированных вариантов;
  –  разработка методологии выбора варианта структуры ГРТСУ повышения эмерджентного эффекта в процессе функционирования ГРТСУ.

В результате проведенных исследований ожидается развитие методов согласования (системной интеграции) выбранных вариантов структуры ГРТСУ с целью прогнозирования и предотвращения конфликтов элементов ГРТСУ при пересечении функций элементов структуры ГРТСУ, а также планирования и координации действий элементов ГРТСУ.

Направление 2.Теория, методы и средства разработки робототехнических систем на основе интеллектуальной обработки информации и управления автономными роботами различных типов (С.А. Диане)

Разрабатываются методы и алгоритмы автоматической настройки систем технического зрения на основе применения нейросетевых технологий с целью классификации объектов или явлений внешней среды, в том числе:
  –  локализация целевого объекта в зоне видимости робота;
  –  оценка собственной скорости движения на основе анализа потоковой видеоинформации;
  –  оценка параметров расположения препятствий на пути движения робота.

Сочетание технологий моделирования интеллектуальных роботов и нейросетевых технологий как средства решения слабо формализованных задач позволяет организовать единый автоматический процесс непрерывной генерации эталонных примеров и обучения систем технического зрения. В результате за счёт повышения качества настройки сенсорных систем отдельных роботов происходит совокупное повышение эффективности многоагентных робототехнических систем, которые также являются объектом исследований, проводимых сотрудниками лаборатории

Полученные результаты в области группового управления мобильными роботами связаны с разработкой средств планирования при выполнении многоэтапных сценарных задач, а также применением эволюционных методов для организации распределения заданий между отдельными роботами.

Направление 3. Поиск источников загрязнения атмосферного воздуха в городах на основе открытых данных в геоориентированных социальных сетях. (Ю.Г. Фатеева)

Несмотря на существующие государственные системы экологического мониторинга в крупных городах люди используют социальные сети, чтобы выразить свое отношение и чувства по этому поводу. Таким образом, жители городов постоянно участвуют в динамическом мониторинге качества воздуха, становясь «социальными сенсорами».

Лаборатория развернула серию работ по созданию системы сбора и анализа данных о загрязнении воздуха из открытых источников, а также созданием геоориентированной социальной сети, где каждый человек может выступить в роли «сенсора» и заявить об экологической проблеме.

Будет создан сервис по сбору, анализу и прогнозированию загрязнения окружающего воздуха, а также информационная карта с визуально наглядным отображением собранных данных о загрязнении воздуха и о районах, в которых следует проводить дополнительные исследования и выявление источников разрушительного воздействия на жизнедеятельность человека.