Лаборатория № 31 «Распределенных информационно-аналитических и управляющих систем имени И.В. Прангишвили»

Основатель и первый заведующий лабораторией №31 Ивери Варламович Прангишвили

Лаборатория № 31 была образована в 1964 г. Заведующим был назначен доктор технических наук, академик АН Грузии, профессор Ивери Варламович Прангишвили, который руководил лабораторией по февраль 2006 г.

Ивери Варламович Прангишвили был крупным учёным в области теории и разработки процессов и систем управления, информатики и вычислительной техники. В 1959 г. Ивери Варламович защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата технических наук. На основе теоретических решений им было разработано на новых принципах и новейших по тому времени элементах телеавтоматическое устройство управления, оказавшееся весьма востребованным в решении ряда практических задач. Особый интерес к этому устройству проявило Управление танковыми войсками Министерства обороны СССР для управления мишенями на танковых полигонах. В 1969 г. он защитил докторскую диссертацию на тему «Принципы построения однородных структур для логических и вычислительных устройств». В 1970 г. его назначают заместителем директора по научной работе Института, а в 1987 г. утверждают в должности директора Института.

 

 

 

 

 

И.В. Прангишвили было предложено новое перспективное направление построения элементов и узлов управляющих и вычислительных систем на основе однородных микроэлектронных структур функционально настраиваемых на решение проблемно-ориентированных задач.

С 1972 г. в ИПУ началась разработка первой ЭВМ на однородной перестраиваемой среде ПС-300, процессор которой был выполнен на однородной перестраиваемой структуре, позволяющей посредством настройки реализовать широкий спектр операций над данными. Особенностью машинного языка ПС-300 являлись реализация в машине векторных команд обработки данных и использование конвейерной обработки данных (д.т.н. В.Д. Малюгин, к.т.н. А.И. Иванов).

В 1977–1984 г.г. в НПО «Элва» (г. Тбилиси) на основе разработок ИПУ было освоено серийное производство ЭВМ ПС-300 и управляющего вычислительного комплекса УВК ПС-300, предназначенных для промышленных систем управления на нижнем уровне обработки информации. УВК ПС-300 отличался универсальностью применения, высокой надёжностью, помехоустойчивостью. УВК ПС-300 выпускались в течение 1978-1984г.г. НПО «Элва».

УВК ПС-300

В дальнейшем была разработана мультипроцессорная общепромышленная модификация ВК ПС-Микро-02 и проведена её опытная эксплуатация в составе комплекса литья под давлением (г. Одесса). В 1991г. организован серийный выпуск УВК ПС-Микро-02 на Черновицком НПО «Электронмаш».

Была завершена разработка и изготовлены опытные образцы отказоустойчивого мультипроцессорного УВК ПС-Микро-03, для управления корабельными техническими средствами, а также опытная партия бортовых процессоров ввода-вывода в составе системы мониторинга объектов («черных ящиков») атомных подводных лодок (к.т.н. Иванов А.И.).

Последующее развитие однородных микроэлектронных структур под руководством И.В. Прангишвили (д.т.н. И.Л. Медведев, д.т.н. С.Я. Виленкин, к.т.н. Ю.С. Затуливетер, к.т.н. Е.А. Фищенко) привело к разработке и созданию высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем с перестраиваемой структурой ПС-2000, проблемно-ориентированных на решение векторно-матричных задач большой размерности.

С 1975 по 1979 г. ИПУ РАН и НИИУВМ (г. Северодонецк) Министерства приборостроения вели совместные разработки по созданию опытного образца вычислительного комплекса ПС-2000, который сразу был запущен в серийное производство. С 1980 по 1988 гг. Северодонецким приборостроительным заводом была выпущена промышленная серия из 242 вычислительных комплексов ПС-2000.

По откликам зарубежных ученых в 1988 г.: «Running at a reported peak processing rate of 200 MIPS, the PS-2000 is currently the fastest Soviet computer in series production (ПС2000, работающий с максимальной скоростью обработки 200 MIPS, в настоящее время является самым быстродействующим советским компьютером в серийном производстве)» [Wolcott P., GoodmanS.E. High-Speed computers of the Soviet Union // IEEE Computer. -1988. Vol. 21, -No 9. Р. 32-41].

С опережением на 20 лет ПС-2000 стал первым в мире многопроцессорным компьютером-ускорителем общего назначения (GP) с массовым параллелизмом, только в 1999 году NVIDIA изобрела GP GPU [ http://www.nvidia.ru/object/about-nvidia-ru.html ] и вышла на массовый рынок высокопроизводительных вычислений.

Эффективность и масштабируемость многопроцессорного компьютера ПС-2000 подтверждена обширным и успешным опытом его использования в 80-90х годах в разнообразных сферах, таких как промышленная обработка данных в сейсморазведке нефтяных месторождений (Мингео), управление космическими объектами (ЦУП), обработка гидроакустической информации, изображений, стендовые испытания сложных агрегатов и др.

На базе ПС-2000 был создан промышленный экспедиционный вычислительный комплекс ЭГВК ПС-2000, обеспечивающий углублённую обработку данных сейсмической разведки месторождений нефти и газа. Совместно ИПУ (лаборатории 31 и 58) и ВНИИ геофизики была разработана программная сейсмическая обрабатывающая система (СОС ПС), которая функционировала на 92 ЭГВК ПС-2000 в условиях экспедиций на месторождениях нефти и газа.

На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные (до 1 млрд. операций в секунду) системы обработки гидроакустической информации в реальном масштабе времени (д.т.н. И.И. Паишев).

С 1982 по 1997 гг. восемь комплексов ПС-2000 совместно с МВС «Эльбрус» эксплуатировались в Центре управления космическими полётами (ЦУП). На ВК ПС-2000 была реализована система предварительной обработки телеметрической информации в реальном времени.

Компьютеры линии ПС-2000 стали примером воссоединения актуальной востребованности опережающих идей и полномасштабного их воплощения с использованием отечественных технологий.

ПС-2000 в ЦУП (тёмные стойки на дальнем плане)

Одновременно в лаб. 31 (д.т.н. В.В. Игнатущенко) совместно с лаб. № 46 (д.т.н. Э.А. Трахтенгерц) проводилась разработка вычислительных систем, получивших название ПС-3000 со многими потоками команд и многими потоками данных, предназначенных для обработки данных на верхних уровнях иерархии сложных систем управления, требующих высокой производительности. Опытный образец ПС-3000 был выпущен (НИИУВМ, г. Северодонецк) только во второй половине 1980-х гг. Доработка и дальнейший выпуск ПС-3000 была прекращена в связи с происходившими в стране изменениями.

В середине 90-х гг. атомная промышленность России начала стремительный выход на мировой рынок. Ряд стран (Иран, Индия, Китай и др.) проявили заинтересованность в приобретении отечественных энергоблоков с реакторами на лёгкой воде типа ВВЭР-1000. Разработка и создание принципиально новых автоматизированных систем управления верхним блочным уровнем (СВБУ) — АСУ ТП АЭС было поручено Институту. Общее руководство работами вел директор института  И. В. Прангишвили (ответственные исполнители — к.т.н. М. А. Зуенков и будущий д.т.н. А. Г. Полетыкин).

В АСУ ТП АЭС должны быть реализованы алгоритмы контроля, управления и диагностики, система представления параметров безопасности АЭС, система регистрации важных параметров эксплуатации и др., выполнение которых является обязательным в соответствии с требованиями МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергетике).

 

Михаил Анатольевич Зуенков

Был разработан математический аппарат, позволяющий создавать программные системы, основанные на логике нечётких множеств, язык программирования АБИС, программы генерации правил по данным моделирования сложных технологических процессов и нечёткие базы знаний для качественного моделирования. Был разработан ряд новых информационных технологий, которые могут применяться в различных областях, включая предприятия ТЭК, химические и другие производства.

По результатам исследований была разработана АСУ ТП АЭС, содержащая интегрирующую часть – вычислительную систему верхнего блочного уровня, которая централизует информационные потоки и предоставляет оперативному персоналу АЭС удобные, надёжные и быстрые средства управления АЭС.

 

 

 

 

 

Блочный пульт управления АЭС с разработанной в Институте СВБУ

В последние годы жизни И.В. Прангишвили занимался системным исследованием задач управления, пытаясь выявить системные закономерности в функционировании природных и общественных систем. Им был формализован процесс возникновения конфликтных и кризисных ситуаций в системе управления обществом, изучены способы смягчения их последствий. Была также разработана методика оценки сложности систем управления различной природы, экологизации науки и техногенных систем. Был предложен ряд закономерностей ограничительного характера, учёт которых в процессе управления повышает эффективность демпфирования конфликтов и минимизирует вероятность возникновения кризисных ситуаций.

 

Зав. лаб. № 31 Алексей Григорьевич Полетыкин

С середины 2006 г. заведующим лаборатории № 31 стал доктор технических наук Алексей Григорьевич Полетыкин, работающий в лаборатории с 1983 г.

В настоящее время в лаборатории работает 36 сотрудников, из них 2 доктора наук и 12 кандидатов наук.

Деятельность лаборатории была продолжена в направлениях разработки и развития новых моделей, а также средств построения и методов управления функционированием распределённых автоматизированных систем управления (АСУ); разработки новых структур, сетевых информационных технологий для управления технологическими процессами, включая управление критически важными объектами (КВО): АСУ объектами атомной энергетики, управление стационарными и подвижными объектами морского флота, энергетики и системы мониторинга окружающей среды.

На основе современных информационных технологий была разработана система контроля, управления и диагностики «Оператор», в которую входят операционная система, SCADA-система, САПР и ряд программных комплексов для разработки, внедрения, обучения и сопровождения сложных распределённых информационно-управляющих систем. Основное значение придается приоритету кибербезопасности на всех этапах создания и эксплуатации системы управления объектами, в частности АСУ АЭС. Научные результаты этих работ реализованы в действующих АСУ АЭС: Бушер (Иран), Куданкулам (Индия).

 

Была выработана политика кибербезопасности, предложена расширенная дискреционная модель передачи прав доступа (take-grant) для формального описания киберзащищённости АСУ КВО, разработаны формальные модели и методологии оценки и обеспечения кибербезопасности информационных управляющих систем (ИУС), в том числе исследование возможных вариантов создания внешней системы сопровождения ИУС для оценки рисков и ущерба от кибератак.

Проводимые работы обеспечивают комплексный подход к построению крупномасштабных высокоэффективных информационно-управляющих и вычислительных систем, отвечающих жёстким требованиям по критериям энергоэффективности и кибербезопасности. Основная часть комплексов программ АСУ АЭС прошла аттестацию и получила разрешение на применение в атомной энергетике, в системах, важных для безопасности.

В настоящее время в лаборатории исследования проводятся в следующих основных направлениях:

1. Развитие теории и новых технологий разработки распределённых кибербезопасных информационно-управляющих систем для управления объектами повышенной опасности эксплуатации (А.Г. Полетыкин, В.Г. Промыслов), включающих:

 

 

 

 

       Виталий Георгиевич Промыслов

  •  

  • развитие гибридной модели, включающей физическую и информационную модели объекта, для оценки рисков угроз на стадиях проектирования и эксплуатации объекта;

  • исследование современные средств и технологии построения АСУ, анализ изменений в современной вычислительной технике и в программном обеспечении, которые открывают новые возможности для создания кибербезопасных систем верхнего уровня АСУ ТП АЭС, которые будут обладать высокой надежностью, удобством для людей и встроенным искусственным интеллектом. Новые системы управления АЭС будут состоять из трех основных частей: традиционной автоматики, человека и искусственного интеллекта.

2. Развитие системы управления автономными необитаемыми подводными аппаратами (А.И.Иванов):

   Александр Иванович Иванов

  • создание автономных необитаемых подводных аппаратов с изменяемой геометрией корпуса, повышающей маневренность и подводное позиционирование аппарата, позволяющих осуществлять передвижение по суше, по водной поверхности и под водой;

  • разработка методов построения и структуры сетевых систем группового управления с учётом жёстких эксплуатационных требований, включающих высокую экономическую эффективность, защищённость от внешних воздействий и угроз и концепции построения и реализации измерительно-вычислительных систем регистрации параметров объектов, требующих повышенной безопасности эксплуатации.

3. Разработка принципов сетевой экспертной деятельности (СЭД), связанной с развитием новых концепций создания цепочек добавленной стоимости. Наглядным примером может служить «DigitalCatapult»– среда корпоративной деятельности большого числа компаний и организаций, технических специалистов, творческих работников, представителей бизнеса и академических кругов. Новейшие решения в области аппаратной поддержки СЭД связаны с разработками гиперконвергентных систем, ориентированных на реализацию принципа «ИТ как услуга» (IT as a service, ITaaS). На этом фоне большую актуальность приобретает разработка приложений СЭД в рамках онтологической инженерии, поддерживающей прикладную настройку на уровне сервисов управления контентом, контекстом и дискурсом. В данном направлении эта проблема рассматривается применительно к приложениям мониторинга, развиваемым на платформе интернета вещей, социальных сетей и систем тотальной регистрации через Интернет всех этапов всех видов деятельности физических и юридических лиц. Основу предлагаемого похода составляет использование стандартов обработки больших данных в контуре сетевой экспертной деятельности. (И. А. Степановская).

4. Разработка методологии развития глобальной компьютерной среды (ГКС) с целью уменьшения затрат и времени при цифровой трансформации больших систем (Ю. С. Затуливетер, Е. А. Фищенко), включающей:

   Юрий Семёнович Затуливетер

 

  • разработку массовых сетевых компьютеров с немикропроцессорной архитектурой обеспечивающих бесшовную программируемость и кибербезопасность ГКС;

  • разработку принципов построения универсального алгоритмического пространства распределённых вычислений и сетецентрического управления, снимающих принципиальные ограничения на размеры больших систем.

5. Развитие архитектуры и исследование областей применения семейства программно-совместимых и масштабируемых однокристальных компьютеров-ускорителей общего назначения (Ю. С. Затуливетер, Е. А. Фищенко):

  • на основе архитектуры высокопроизводительного многопроцессорного компьютера-ускорителя общего назначения ПС-2000, разработанной ранее в лаборатории, исследуется возможность создания масштабируемой многопроцессорной компьютерной архитектуры ПС-2000М для однокристального воплощения в диапазоне от 130 до 10 нм, которая может стать основой построения новой отечественной элементной базы для высокопроизводительных вычислений;

  • анализируются алгоритмы глубокого обучения.

Структурная масштабируемость архитектуры ПС-2000М обеспечивает ее высокую эффективность и конкурентоспособность при переходе к перспективным технологиям нанометрового диапазона, что позволит размещать на кристалле более 2048 процессоров, обеспечивая, высокую производительность на одном кристалле. Семейство ПС-2000М предназначено для создания расширяемой номенклатуры высокопроизводительных вычислительных систем двойного назначения в широких диапазонах применений от мобильных компьютерных устройств и встраиваемых систем до суперкомпьютеров.

6. Разработка методов моделирования крупномасштабных систем управления на основе понятийного анализа предметной области (В. С. Выхованец):

  • динамического управления процессами на основе совмещенных сетей управления и данных;

  • представления и обработки знаний в формализме понятийных моделей,а также разработка и применение проблемно- и предметно-ориентированных языков в рамках контекстной технологии программирования.

7. Развитие информационно-диагностической системы анализа и распознавания микроизображений медико-биологических объектов (Г. М. Попова) для:

  • организации системы мониторинга состояния и процесса лечения больных;

  • разработки системы сбора, группировки и обработки результатов наблюдений для решения задач диагностики, прогнозирования и управления лечебными процессами с целью применения их в повседневной работе практикующих врачей медицинских учреждений.

Лаборатория участвует в выполнении грантов РФФИ, программ Российской академии наук и большого числа хоздоговоров (в частности, выполняет договора по разработке систем управления для зарубежных АЭС).

Лаборатория принимает активное участие в организации и проведении научных семинаров, школ и конференций. В течение ряда лет проводилась организованная лабораторией школа «Многопроцессорные вычислительные системы. Однородные структуры». Лаборатория является одним из организаторов международных конференций: «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD)», «Параллельные вычисления и задачи управления (PACO)», «Технические и программные средства систем управления, измерения и контроля (УКИ)»; международной конференции-совещания «Новые технологии АСУ ТП АЭС» и других, близких по тематике конференций и семинаров.

Сотрудники лаборатории представляют интересы РФ в Международной электротехнической комиссии (МЭК), Международном агентстве по атомной энергии (МАГАТЭ), участвуют в разработке российских и международных стандартов.

Лаборатория участвует в международном сотрудничестве с организациями Франции, Индии, Ирана.