Научные направления

Ниже перечислены основные научные направления кафедры 303, которые успешно проводились за время ее существования.   Более подробную информацию можно найти в журнале «Приборы и системы» №8/2000.
Информационная теория динамических систем. Чл.-корр. РАН В.В. Петров, доц. А.С. Усков, профессора А.В. Запорожец и В.М. Агеев. Основы теории были заложены В.В. Петровым, который впервые обратил внимание на то, что классическая теория информации (КТИ), созданная для решения задач связи, предполагает безошибочное и безынерционное преобразование сигнала в канале связи. Для динамических систем (а к таким системам реально относятся измерительные системы, системы управления и т.д.) это допущение неприемлемо, а применение напрямую выводов «методов КТИ» приводило к непреодолимым трудностям. Суть предложений В.В. Петрова состояла в допущении ошибки во время преобразования сигнала. Развитие этой идеи с позиций КТИ обусловило формирование несколько иных (по сравнению с КТИ) подходов к решению задач анализа и синтеза характеристик динамических систем и свойств сигнала. Позже совокупность этих подходов была определена как новое направление «Информационная теория динамических систем» в теории информации. Указанная теория развивалась В.В. Петровым и его учениками. В результате на разных этапах были получены принципиально важные данные. К ним относятся:

  • формирование обобщенной теоремы отсчетов, которая позволила оценить наименьшую скорость передачи информации при сохранении требуемой точности преобразования сигнала (В.В. Петров, А.В. Запорожец);
  • установление связи между задачами оптимальной фильтрации по точности и задачами достижения предельных информационных свойств в канале (В.В. Петров, А.С. Уcков); позже, используя критерий мгновенного среднего количества информации, удалось установить условия, при которых оптимум по информации достигался при одновременной оптимизации по точности, а также условия, когда оптимизация по точности не приводит к оптимизации по информации, и наоборот (В.В. Петров, А.В. Запорожец); последнее обусловило формирование принципа развиваемых систем и структур, позволяющее при анализе конкретной системы указать на существование иной системы (или структуры), в которой может быть достигнута большая точность;
  • согласование динамических свойств измерительной системы и системы обработки информации (В.В. Петров, В.М. Агеев), что позволило достигать предельных характеристик для таких комплексов, преодолевать ряд проблем нахождения глобального экстремума (разработка информационных методов регуляризации некорректных задач);
  • доопределение свойств сигналов (по критериям качества информации) в условиях ограничения априорной информации об их характеристиках; подобные решения дали возможность находить требуемые характеристики систем по достаточным условиям (В.В. Петров, В.М. Костюков).

Теория динамических систем с существенными нелинейностями. Чл.-корр. РАН В.В. Петров, проф. А.А. Гордеев. Под руководством В.В. Петрова и при его непосредственном участии на кафедре проводились и продолжаются исследования в области теории приборных комплексов, автоматических измерительных устройств и динамических систем с существенными нелинейностями. Особую актуальность эти исследования приобретают в условиях широкого применения цифровой техники, которая в связи с введением различных квантующих, кодирующих, переключающих и других подобных устройств в принципе имеет релейный характер преобразования сигналов. Изучение нелинейных моделей современных систем и получение достоверных результатов их исследования требуют применения весьма точных методов, каковыми, в частности, являются методы фазовой плоскости, которые и положены в основу всех научных разработок В.В. Петрова в данной области. Приближенные, к примеру асимптотические, методы в современных условиях не только приводят к весьма грубой оценке, но и нередко чреваты качественно неверными результатами, так как не позволяют оценить степень приближения и обнаружить такие новые процессы и явления, с какими ранее не приходилось сталкиваться. На базе теоретических результатов, полученных В.В. Петровым на протяжении многолетней работы, их широкого использования и развития в прикладных задачах проектирования, изучаемых и решаемых его учениками и последователями, им была создана школа «Теория сервомеханизмов с существенными нелинейностями». За свои научные труды и достижения по развитию методов фазовой плоскости В.В. Петров был удостоен премии АН СССР имени академика А.А. Андронова. Одним из наиболее важных результатов в данной области явился разработанный В.В. Петровым и А.А. Гордеевым метод редуцирования n-мерного фазового пространства, который позволяет на многолистной фазовой плоскости исследовать нелинейные динамические модели широкого класса, описываемые уравнениями любого высокого порядка без их упрощения и приближения. Развитая на основе редуцирования теория нелинейных динамических систем дала возможность разработать методы исследования различных видов сложных движений. Основные результаты исследований отражены в монографии.
Информационно-статистическая теория измерений. Профессор В.И. Соболев. Цель этого направления состоит в том, чтобы дать современное описание и решение задач теории измерений на основе интеграции ее с методами теории информации и оптимальных оценок. На сегодня получены следующие результаты. Создана концепция оптимизации оценок скалярных и векторных измеряемых величин с неизвестным априорным распределением на методологической основе, общей с оптимизацией оценок при известном априорном распределении, что устранило существовавшую ранее разобщенность подходов к выбору оценок в этих двух ситуациях. Впервые дано информационное обоснование указанной концепции и полученных на ее основе предельных байесовских оценок, заполнивших нишу не решенного ранее в теории оценок вопроса оптимизации оценок при неизвестном априорном распределении. Введено расширенное понимание погрешностей оценок, которые могут рассматриваться в разных ансамблях значений (при данном значении измеряемой величины; полученном результате измерений; случайных результатах измерений), что открывает возможность альтернативного описания закона распределения погрешности. Решены задачи оптимизации оценок скалярных и векторных величин в реальных условиях ограниченной статистики, определяющей априорные вероятностные характеристики и характеристики погрешности информационно-измерительной системы. На основе разработанной методологии представлено решение основных задач одно и многомерных из мерений в ситуациях с известным и неизвестным априорным распределением и в ситуации с ограниченной статистикой.
Человеко-машинные системы. Отображение информации. Профессора А.В. Запорожец и В.М. Костюков, доцент Л.А. Белобжеский. Эффективность управления самолетом во многом определяется согласованием режимов движения летательных аппаратов (ЛА), работы его систем и агрегатов с характеристиками человека-оператора. Для проектирования интерфейсной части системы человек-машина необходимы математические модели (ММ) как процессов на борту самолета, так и деятельности пилота в единых математических образах. При всем многообразии моделей деятельности пилота альтернативы модели пилота как оптимального нелинейного наблюдателя регулятора, по-видимому, нет. Поэтому на кафедре в течение длительного времени разрабатывается концепция пилота в виде оптимального нелинейного регулятора имеющего зрительную систему, моделируемую пространственно-временным фильтром средних частот. В целях развития данной концепции проводились и ведутся работы по выявлению моделей (критериев), определяющих деятельность пилота. На основе создаваемых моделей осуществляется оптимизация информационных процессов на борту ЛА путем выбора рациональных характеристик интерфейса человек-машина (систем электронной индикации). Выбирается номенклатура отображаемых параметров, формируются требования к точности их контроля, оптимизируются взаимное размещение индексов, форма, масштаб и графика изображений. Параллельно изучается человек-оператор в более широком плане. Наиболее значимые работы были выполнены совместно с Институтом психологии РАН по экспериментальному исследованию информационных характеристик оператора, работающего под воздействием знакопеременных ускорений, приводящих к стрессовым ситуациям (стрессовая модель оператора). Осуществлена серия уникальных полунатурных исследований малоизученного канала управления человека «глаз-голова» («прицельная» тематика). В результате получены новые данные о характеристиках рассматриваемого канала управления и выработаны рекомендации для авиационной промышленности. Накоплено значительное методическое и алгоритмическое обеспечение для подобных исследований.
Теория аэрометрии высотно-скоростных параметров (ВСП) ЛА. Профессор В.И. Соболев, доцент В.В. Ледяев. В условиях высокоманевренных режимов полета ЛА существующая методика измерения ВСП (истинной воздушной скорости, приборной скорости, числа Маха, высоты, углов атаки и скольжения) не удовлетворяет предъявляемым требованиям. Причина в том, что в указанных условиях давления на торце приемника воздушного давления (ПВД) и его боковой поверхности отличаются соответственно от «полного» и «статического», заложенных в ММ обтекания ПВД. Вносимые поправки не позволяют с достаточной точностью учитывать указанные отклонения. Эта проблема становится особенно важной при реализации концепции сверхманевренности ЛА и реализации программ управляемого воздушным сопротивлением спуска космического ЛА многоразового использования. В связи с этим в России и за рубежом ведется разработка новой методологии определения ВСП, основанной на измерении поля давлений на поверхностях ПВД или носовой части ЛА. Кафедра прошла ряд этапов в решении этой проблемы. Главным является создание точной модели обтекания поверхностей тел воздушным потоком в большом диапазоне значений углов атаки и скольжения. В отличие от моделей классической аэродинамики специфика требовании, предъявляемых к такой модели, в том, что бы она была прецизионной, хотя и на ограниченных участках поверхностей. Еще одно требование — достаточная простота модели в смысле вычислительных процедур на борту ЛА. На первом этапе кафедрой был разработан проект системы воздушных сигналов с шаровым ПВД, включая полное алгоритмическое и программное обеспечение. При этом использовалась модель обтекания шара, предложенная ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского. На втором этапе были созданы полуэмпирические модели обтекания для произвольных тел вращения, включающие коэффициенты-функции, определяемые в результате продувки в аэродинамической трубке (АДТ). Полученные модели показали хорошее соответствие с экспериментами в АДТ. На третьем этапе разработаны чисто аналитические модели обтекания, основанные на концепции «эквивалентного шара». Эти модели значительно развивают математические основы аэрометрии ВСП. Сведения, которыми располагает кафедра показывают, что полученные модели обтекания опережают разработки зарубежных фирм.
Проектирование приборных комплексов. Экспертные системы. Профессора В.М. Агеев, Н.В. Павлова. Разработана концепция оптимизации состава и структуры приборных комплексов на базе сформулированного принципа оптимального комплексирования моделей и методов проектирования, что позволяет перейти от поиска решения по одной труднорешаемой или нерешаемой модели к итерационному процессу оптимизации с использованием семейства моделей меньшей размерности. Разработаны ММ на базе методов линейного целочисленного математического программирования, энтропийного подхода к моделированию сложных систем и методов инженерии знаний, позволяющие выбирать состав современных и перспективных приборных комплексов с использованием гибридной ЭС. Для моделей линейного целочисленного математического программирования специального вида, со специфическими ограничениями, к поиску оптимальных планов которых сводится ряд названных задач, разработаны эффективные алгоритмы решения, которые значительно сокращают число шагов, необходимых для поиска оптимального плана, по сравнению с другими известными алгоритмами, применимыми для решения задач математического программирования более широкого класса. Разрабатывается информационное, математическое и программное обеспечение развиваемой открытой системы проектирования и моделирования сложных приборных комплексов на этапе предварительного проектирования, базирующееся на объектно-ориентированном подходе к их анализу, проектированию и программированию.
Открытые информационно-измерительные управляющие системы. Профессор В.Г. Осипов, доцент А.А. Егоров. В 1996 г. руководителем кафедры стал профессор В.Г. Осипов, возглавляющий научно-производственный комплекс по ВТ и информатике (НПК ВТИ) МАИ. С его приходом научная тематика пополнилась новым актуальным направлением «Открытые информационно-измерительные управляющие системы», значительно расширяющим научно-техническую и образовательную деятельность кафедры. Быстрому развитию этого направления способствовало приглашение на кафедру специалистов, имеющих большой опыт разработок таких систем. В их числе руководитель отдела автоматизации экспериментов НПК ВТИ, доцент А.А. Егоров. К настоящему времени на кафедре по заказу промышленности созданы и внедрены автоматизированные системы измерения, контроля и управления (АСКИ и У) нового поколения на базе современных аппаратно-программных средств с широким использованием новых информационных технологий, развиваемых ведущими зарубежными фирмами. В частности, под руководством А.А. Егорова разработана и эксплуатируется в НПО «Энергомаш» (Московская обл.) информационно-измерительная управляющая система для натурных испытаний нового ракетного двигателя РД-180. В научном плане сформированы принципы создания подобных систем: построение их на основе объектно-ориентированной технологии; разбиение задач, решаемых системой, на последовательность технологических операций — типовых функционально законченных задач; единство методического, технического и программного обеспечения. Разработана структура ПО АСКИ и У нового поколения, в основу которой положена перспективная магистрально-модульная архитектура системы. Предложены и реализованы на базе открытой высокопроизводительной шины VME-bus и ОС PB OS-9 основные программно-аппаратные модули системы регулирования режимов работы объекта и управления ими в процессе автономных и комплексных испытаний, отвечающие требованиям со временных международных стандартов. Данные методы, а также средства проектирования и создания на их основе нового поколения интеллектуальных автоматизированных систем этого класса в дальнейшем могут быть распространены и на многие другие системы промышленной автоматизации.
Новые тенденции в подготовке специалистов. Профессор В.Г. Осипов, доцент А.А. Егоров. Сейчас ощущается острая потребность в специалистах, владеющих технологией и программно-аппаратными средствами АСКИ и У. Учитывая это, кафедрой совместно с компанией «РТСофт», являющейся одной из ведущих отечественных организаций в области создания и внедрения открытых систем промышленной автоматизации и телекоммуникации, создан учебно-научный центр «Интеллектуальные автоматизированные системы измерения, контроля и управления в авиационной и космической промышленности». Цель этого центра — разработка отечественных программных и технических средств, ориентированных на открытые международные стандарты и технологии, и подготовка высококвалифицированных специалистов для научно-исследовательских организаций и промышленных предприятий, а также преподавателей вузов. Одновременно предусмотрены специальные курсы в учебном плане специальности № 19.03, которые обеспечивают необходимую подготовку в этой области выпускаемых кафедрой инженеров. В рамках конкурса проектов учебной лаборатории «Электрические измерения неэлектрических величин», проводившегося Минобразования РФ и выигранного кафедрой, для обеспечения учебного процесса совместно с компанией «РТСофт» и НПО «Росучприбор» развернуты работы по созданию типовой учебной лаборатории и соответствующего методического обеспечения для вузов Российской Федерации, готовящих специалистов по перспективным информационным технологиям для отечественной промышленности. Лаборатория включает учебную АСКИ и У и разработанные кафедрой уникальные установки, воспроизводящие измеряемые физические величины. Учебная лаборатория