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 будущий доктор технических наук, академик АН Грузии, профессор Ивери Варламович Прангишвили, который руководил по февраль 2006 г.

Ивери Варламович Прангишвили был крупным учёным в области теории и разработки процессов и систем управления, информатики и вычислительной техники. 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 (ОС), функционально настраиваемых на решение проблемно-ориентированных задач.

С 1972 г. началась разработка первой ЭВМ на однородной перестраиваемой среде ПС-300 (совместная разработка ИПУ и ТНИИСА – Тбилисского научно-исследовательского института средств автоматизации Минприбора), 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 (будущий д.т.н. В.Д. Малюгин, к.т.н. А.И. Иванов).

В дальнейшем ЭВМ ПС-300 была расширена до управляющего вычислительного комплекса, серийно выпускаемого НПО «ЭЛВА» (г. Тбилиси). Была выпущена также новая версия УВК ПС-300 Микро (А.И. Иванов), ориентированная на мультипроцессинг ввода-вывода. Опытная эксплуатация УВК ПС-300 Микро была проведена в Одессе в производстве литья под давлением цветных металлов и сплавов.

Последующее развитие ОС под руководством И.В. Прангишвили (д.т.н. И.Л. Медведев, к.т.н. Ю.С. Затуливетер, к.т.н. Е.А. Фищенко, будущий д.т.н. С.Я. Виленкин) привело к разработке и созданию высокопроизводительных многопроцессорных вычислительных систем с перестраиваемой структурой ПС-2000, проблемно-ориентированных на решение векторно-матричных задач большой размерности. Такие системы необходимы для обработки геофизической информации, изображений в реальном времени, различных данных, поступающих с искусственных спутников Земли, метеорологической, акустической и радиолокационной информации.

С 1981 по 1988 г. НИИУВМ (г. Северодонецк) Министерства приборостроения по совместным с ИПУ РАН разработкам была выпущена заводская серия из 242 вычислительных комплексов ПС-2000.

На базе ПС-2000 был создан промышленный экспедиционный вычислительный комплекс ЭГВК ПС-2000, обеспечивающий углублённую обработку данных сейсмической разведки месторождений нефти и газа (ВНИИ геофизики, В.М. Крейсберг). На базе нескольких комплексов ПС-2000 были созданы высокопроизводительные (до 1 млрд. операций в секунду) системы обработки гидроакустической информации в реальном масштабе времени (будущий д.т.н. И.И. Паишев).

Несколько комплексов ПС-2000 с 1982 по 1997 гг. эксплуатировались в Центре управления космическими полётами (ЦУП). На них была реализована система предварительной обработки телеметрической информации в реальном времени.

В развитие архитектурной линии ПС-2000 с 1989 по 1991 гг. в рамках проектов ГКНТ СССР проводились исследования возможностей построения многопроцессорных архитектур на одном кристалле СБИС (И.Л. Медведев, Ю.С. 3атуливетер, Е.А. Фищенко, В.А. Кротов). Это был первый в мире проект, направленный на СБИС-погружение высокопараллельных архитектур. В связи с опережающим прогрессом технологий массового производства СБИС актуальность предложенных архитектурных и технологических решений в настоящее время только нарастает.

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

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

Одновременно (будущий 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. Первые машины были выпущены (НИИУВМ, г. Северодонецк) только во второй половине 1980-х гг. Их доработка и дальнейший выпуск были прекращены 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. Возникла потребность в разработках и создании автоматизированных систем управления верхним блочным уровнем (СВБУ) ТП АЭС. 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.

Михаил Анатольевич Зуенков

Создание принципиально новой системы управления верхним блочным уровнем (СВБУ) АЭС было поручено Институту проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. Общее руководство работами вёл директор ИПУ РАН И.В. Прангишвили (ответственные исполнители – кандидаты, но будущие док-тора технических наук М.А. Зуенков и А.Г. Полетыкин).

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

На основе новых информационных технологий контроля, управления и диагностики для АСУ АЭС была разработана система «Оператор», в которую входят: операционная система, SCADA-система, САПР и ряд комплексов программ для разработки, внедрения, обучения и сопровождения сложных распределённых информационно-вычислительных и управляющих систем. Были разработаны и исследованы методы анализа характеристик детерминированных систем с очередью для определения предельных временных характеристик для АСУ ТП АЭС (к.т.н. В.Г. Промыслов).

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, работавший в ней с 1983 г.

В настоящее время в лаборатории работает 42 сотрудника, из них 2 доктора технических наук и 9 кандидатов технических 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).

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:

  • Виталий Георгиевич Промыслов

    Развитие теории и новых технологий разработки распределённых информационно-управляющих систем для управления объектами повышенной опасности эксплуатации. Большое значение придается развитию методологии информационной (кибер) безопасности цифровых систем управления энергетическими объектами. (А.Г. Полетыкин, В.Г. Промыслов).

  • Развитие концепции, принципов построения, методов и алгоритмов высоконадёжных кибербезопасных информационно-управляющих систем (ИУС) на основе когнитивных методов мониторинга угроз. (А.Г. Полетыкин).
  • Развитие методов обеспечения кибербезопасности и киберустойчивости ИУС критически важных объектов (КВО). Определение политики кибербеопасности и разработка формальных моделей. Исследование и развитие методологии оценки и обеспечения кибербезопасности ИУС, в том числе исследование возможных вариантов создания внешней системы сопровождения ИУС для оценки рисков и ущерба от кибератак. Принципы построения и развития аналитического инструмента и средства для моделирования ИБ ИУС, позволяющего оценить кибербезопасность и повысить защищённость АСУ КВО от кибератак, а также найти места уязвимости в существующих АСУ КВО. (А.Г. Полетыкин, В.Г. Промыслов).
  • Анализ и критическая оценка состава и функций существующих и успешно работающих АСУ АЭС 1-го поколения. Проведён анализ стандартов СВБУ, и выявлены новые требования, которые должны быть реализованы в СВБУ 2-го поколения в полном объеме на основе использования современных технологий Industry 4.0. Проанализированы способы защиты от киберугроз. Предлагается расширенная дискреционная модель передачи прав доступа (take-grant) для формального описания киберзащищённости АСУ КВО. (А.Г. Полетыкин, В.Г. Промыслов).
  • Александр Иванович Иванов

    Исследование и разработка оптимальных методов программно-аппаратной реализации отказоустойчивых реконфигурируемых систем управления техническими средствами подводных и надводных кораблей и автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Исследование и разработка методов построения и структуры сетевых систем группового управления на основе беспроводных технологий с учётом жёстких эксплуатационных требований, включающих высокую экономическую эффективность, защищённость от внешних воздействий и угроз. Разработка концепции построения и реализации измерительно-вычислительных систем регистрации параметров объектов, требующих повышенной безопасности эксплуатации. (А.И. Иванов).

  • Сетевая экспертная деятельность (СЭД), которая в современную эпоху глобализации и цифровизации находит всё большее применение. СЭД связана с развитием новых идей для их воплощения в конкурентоспособные продукты. 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).
  • Юрий Семёнович Затуливетер

    Разработка методологии развития глобальной компьютерной среды (ГКС) как системно и функционально целостного кибернетического объекта. На основе массовых сетевых компьютеров с не микропроцессорной архитектурой разработаны принципы неограниченного наращивания функционала ГКС, открывающие возможности формирования в ГКС математически однородного, бесшовно программируемого и кибербезопасного алгоритмического пространства распределённых вычислений и сетецентрического управления для целостного решения всего разнообразия сильно связных задач цифровой экономики. (Ю.С. Затуливетер, Е.А. Фищенко).

  • На основе разработанной ранее в лаборатории архитектуры ПС-2000 исследование возможности создания масштабируемой многопроцессорной компьютерной архитектуры ПС-2000 М для однокристального воплощения в диапазоне от 130 до 10 нм, которая может стать основой построения новой отечественной элементной базы для высокопроизводительных вычислений в виде семейства программно совместимых однокристальных компьютеров-ускорителей общего назначения. Структурная масштабируемость архитектуры ПС-2000 М обеспечивает её высокую эффективность и конкурентоспособность при переходе к перспективным технологиям глубокого нанометрового диапазона, что позволит размещать на кристалле более 2048 процессоров, обеспечивая, высокую производительность на одном кристалле. Семейство ПС-2000 М предназначено для создания расширяемой номенклатуры высокопроизводительных вычислительных систем двойного назначения в широких диапазонах применений от мобильных компьютерных устройств и встраиваемых систем до суперкомпьютеров. (Ю.С. Затуливетер, Е.А Фищенко).
  • Корпусной подход к идентификации социальных и экологических явлений.
  • Моделирование крупномасштабных систем на основе понятийного анализа предметной области. Динамическое управление процессами на основе совмещённых сетей управления и данных. Представление и обработка знаний в формализме понятийных моделей. Разработка и применение проблемно- и предметно-ориентированных языков в рамках контекстной технологии программирования. (В.С. Выхованец).
  • Развитие информационно-диагностической системы анализа и распознавания микроизображений медико-биологических объектов, организации системы мониторинга состояния и процесса лечения больных, включая 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. (Г.М. Попова).

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 участвует в НИР ГК «Роскосмос», выполняет работы в интересах МО и других ведомств.

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.