Разработка систем визуализации в ИНЭУМ

Фукс В.И.

Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ) им. И.С. Брука занимает важное место в истории отечественной вычислительной техники [1–12]: 

Студентом 5-го курса факультета электроники и счётно-решающей техники (ФЭСТ) Московского лесотехнического института (МЛТИ) я был направлен в начале 1964 года на преддипломную практику в Институт электронных управляющих машин (ИНЭУМ). Создание в 1959 году нового факультета при МЛТИ [1] было инициировано С.П. Королёвым, обратившимся 5 января 1957 года в Совмин СССР с докладной запиской о необходимости подготовки кадров для ракетно-космической отрасли. После защиты дипломной работы на тему «Дешифратор на параметронах с использованием кодов, исправляющих ошибки» по заявке член-корреспондента АН СССР И.С. Брука был распределён в ИНЭУМ и в феврале 1965 года принят младшим научным сотрудником в лабораторию автоматического регулирования и управления, начальником которой был к.т.н. Николай Николаевич Ленов.

Тематика лаборатории была напрямую связана с научными интересами И.С. Брука, одного из основоположников отечественной вычислительной техники. Опыт применение аналоговых вычислителей для расчётов в электроэнергетике привёл его к выводу о целесообразности применения для этих целей управляющих цифровых вычислительных машин. Никто тогда не мог предположить, что дата приоритета первого в СССР изобретения в области вычислительной техники, установленная авторским свидетельством № 10475 И.С. Брука и Б.И. Рамеева «Автоматическая цифровая вычислительная машина» –4 декабря 1948 года, будет отмечаться в России как День информатики. К 1964 году под руководством И.С. Брука были разработаны уже несколько моделей ЭВМ – М-2, М-3, М-4 и М-5.

После ухода в 1964 году на пенсию [2] И.С. Брук продолжал научную и изобретательскую деятельность в институте, долгие годы сохранявшим  установленные им традиции. Среди них:

• открытое обсуждение насущных и принципиальных проблем на заседаниях научно-технического совета;

• внимание к пополнению научно-технической библиотеки и «право первой ночи» – первого прочтения регулярно поступавших специальных отечественных и зарубежных журналов: на абонементных карточках первой стояла его фамилия;

• заинтересованное отношение к повышению профессионализма сотрудников.

В институте проводились семинары и лекции по различной тематике – от курсов теории вероятностей (В.Л. Браиловский) и программирования (Б.Л. Брудно) до истории русской иконописи (В.С. Чернявский). Автор методики расчёта на ЭВМ оптимального распределения нагрузок в энергосистемах В.С. Шаханов вёл курс подготовки инженеров-энергетиков для работы на М-2.

Лаборатория Н.Н. Ленова в этот период занималась разработкой комплекса М-7— первой в СССР цифровой управляющей машины для энергоблока «котел-турбина-генератор», предназначенной для автоматизации операций пуска и останова, контроля и регистрации отклонений и аварийных состояний, выдачи управляющих воздействий на исполнительные механизмы и расчёта технико-экономических показателей. Система регулирования энергоблока (турбоагрегата типа ПВК-200-2 мощностью 200 МВт с прямоточным котлом, работающим на пылеугольном топливе) состояла из связанных автоматических регуляторов с числом контролируемых параметров до 300, опрос которых осуществлялся каждые 10 с. Щит управления энергоблоком – традиционный, с представлением информации отдельными измерительными приборами. Число выходных сигналов управления, в том числе сигналов изменения уставок автоматических регуляторов – до 200. В разработке принимали участие Н.А. Королев, А.К. Давыдовский, Ф.И. Гринфельд, А.Я. Соколов, Ю.В. Нифонтов, А.Н. Московский, Р.С. Полиенко, В.В. Цинзерлинг, К.И. Арбузов, В.И. Фукс. Алгоритмическая часть проекта автоматизации энергоблока была выполнена специалистами Всесоюзного теплотехнического института. 

Конструктивно М-7 включала в себя:

• центральное устройство с пультом управления;

• устройство ввода аналоговых сигналов;

• устройство выдачи сигналов управления;

• устройство выдачи уставок на регуляторы управляющих контуров.

Основу элементной базы составляли феррит-транзисторные ячейки.

Значения контролируемых параметров сравнивались с заданными. В случае выявления отклонений значения показателей выводились на печать красным цветом, а при вхождении в норму — чёрным. Выдача сигналов управления сопровождалась проверкой их достоверности. По желанию оператора отдельные параметры, а также сигналы управления оборудованием энергоблока выводились на пульт машины или на печатающую машинку.

Устройство выдачи уставок на регуляторы контура управлением энергоблока было выполнено в отдельном шкафу, в котором были расположены 64 электромеханических шаговых искателей производства ленинградского предприятия «Красная заря». На ламелях шаговых искателей были распаяны цепочки прецизионных резисторов, образующих делители напряжения для формирования управляющих сигналов на регуляторы.

М-7 была изготовлена на московском опытном заводе «Энергоприбор». С 1967 года находилась в опытной эксплуатации на энергоблоке Щёкинской ГРЭС Тулэнерго в городе Советск, выполняя сначала функции контроля и расчёта технико-экономических показателей и управления операциями пуска блока, а с 1968 года и функции управления.

Как ответственному за опытную эксплуатацию системы, мне часто приходилось согласовывать оперативные вопросы и графики работ с главным инженером ГРЭС. К сожалению, некоторый скепсис с его стороны к автоматизации управления в целом оказался связан с его большим производственным опытом. Расчётный КПД работы станции был порядка 30%. С учётом климатических условий реальное значение на практике, так как в зимнее время не удавалось полностью разгружать вагоны с углём: до 15-20% не размороженного угля возвращалась на шахту. Известные же к тому времени зарубежные данные показывали, что внедрение оптимизированного регулирования могло дать выигрыш в КПД максимум до 2%. М-7 показала неплохую надёжность (комплект поставки включал в себя резервный магнитный барабан) и проработала в системе управления энергоблоком до 1980-х годов.

В 1965 году в ИНЭУМе под руководством Н.Н. Ленова началась разработка управляющей машины М-7-800 для двухвального энергоблока 800 МВт Славянской ГРЭС Донбассэнерго (две турбины: 500 и 300 МВт с прямоточным котлом на пылеугольном топливе). Большое число параметров контроля и управления и высокие требования к функциям управляющей вычислительной системы обусловили новый взгляд на качественное улучшение обмена информацией между ЭВМ и оператором.

Для М-7-800 было разработано устройство связи оператора с машиной (УСОМ), в котором впервые в отечественных системах контроля и управления технологическими объектами для представления текстовой и мнемонической информации использована электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). Особенностью УСОМ было использование для обеспечения высокого качества отображаемой информации совмещение двух принципов построения дисплеев на ЭЛТ с регенерацией изображения: растрового – для позиционирования на экране и векторного – для прорисовки символов. Соответственно, на ЭЛТ были установлены две отклоняющие системы – низкочастотная для позиционирования знаков и высокочастотная для вычерчивания их контуров. В алфавите устройства был набор специальных символов для формирования технологических мнемосхем. Оператор УСОМ для ввода запросов и команд мог использовать алфавитно-цифровую и функциональную клавиатуры, а также электронный указатель знакоместа на экране, в качестве чувствительного элемента в котором был применён фотоэлектронный умножитель, реагирующий на прохождение светового пятна под апертурой.

Устройство управления УСОМ было спроектировано с использованием унифицированного комплекса логических элементов «Урал-10». Основные разработчики – Ю.В. Нифонтов, В.И. Фукс, А.В. Миронов. Некоторые принципиальные решения были защищены авторскими свидетельствами на изобретения. В 1969 году устройство было передано в эксплуатацию в составе. М-7-800 на СлавГРЭС в городе Славянск УССР.

В начале 1970-х в рамках создания агрегатной системы средств вычислительной техники на микроэлектронной базе (АСВТ-М) для взаимодействия оператора с ЭВМ верхнего уровня М-4000/4030 был разработан комплекс «Диалог» (разработчики – Ю.В. Нифонтов, В.И. Фукс, С.М. Макарова), обеспечивающий через групповое устройство управления (УУ) работу 8 операторских экранных пультов (ЭП). Объём общей памяти поддержки изображений в УУ – 4096 18-разрядных слов, максимальное удаление ЭП от УУ – 300 м. На каждом рабочем месте устанавливались монитор с электронным указателем (световое перо), символьная и функциональная клавиатуры, устройство печати. На рабочем поле монитора, выполненного на базе кинескопа 35ЛК4Б, можно было отобразить 18 строк по 56 символов. УУ обеспечивало автономное и независимое редактирование информации на ЭП по командам с функциональной клавиатуры. Применение группового устройства управления позволило снизить аппаратные затраты в расчёте на одно рабочее место при использовании в многопользовательских АСУ-ТП и АСУ-П. Комплекс «Диалог» в 1972-1973 годах был введён в эксплуатацию и поддерживал многопользовательский режим расчётов на центральной вычислительной машине автоматизированной системы объединённого диспетчерского управления энергосистем Юга (ОДУ Юга) в Киеве.

Эффективность работы комплекса «Диалог» с ЭВМ М-4030 и художественно–дизайнерское оформление ЭП, в котором впервые в отечественной практике вместо привычной серой молотковой краски было применено искусственное покрытие вишнёвого цвета (по проекту промышленного дизайнера А.Е. Тэриана), получили положительные отзывы на международной выставке “Интероргтехника-75” в Москве. Заинтересованность в применении комплекса «Диалог» была проявлена главным конструктором системы обработки данных АС-6 В.А. Мельниковым.

В 1970-1974 годы для автоматизации строившейся Конаковской ГРЭС, мощностью 2400 МВт под руководством Н.Н. Ленова разрабатывалась ЭВМ среднего уровня АСВТ-М. Сложность объекта управления, состоящего в себявосемь энергоблоков по 300 МВт, каждый из которых имел сотни аналоговых и дискретных датчиков, опрашиваемых со скоростью до 400 каналов в секунду, определила необходимость повышения надёжности и производительности вычислительной системы. В архитектуре проектируемой ЭВМ М-400 был реализован принцип организации взаимосвязи процессора, оперативной и внешней памяти и периферийных устройств по магистральному системному интерфейсу «Общая шина». Возможности интерфейса позволяли легко изменять конфигурацию комплекса – подключать дополнительные контроллеры периферийных устройств (внешней памяти, ввода-вывода, визуализации), а также контроллеры, связывающие центральное вычислительное устройство с устройствами связи с объектом (УСО) или с машинами централизованного контроля нижнего уровняАСВТ-М. Дополнительным требованием было обеспечение программной совместимости с семейством популярных в то время мини-ЭВМ PDP-11 корпорации Digital Equipment Corporation (DEC) США[3].

Архитектурные преимущества М-400 позволили при разработке интерактивного графического дисплея ЭПГ-400 с максимальной эффективностью использовать преимущества «общей шины» для организации высокоскоростного доступа в память и использование части её объёма для регенерации изображения на экране ЭЛТ. На этапе эскизного проектирования с участием Института автоматики и электрометрии (ИАиЭ) Сибирского отделения АН СССР была показана возможность оптимизации структуры дисплейного процессора и набора его команд для описания изображения. Дисплейный процессор ЭПГ-400 по каналу прямого доступа считывал слова команд и данных, описывающих векторное изображение, из ОЗУ ЭВМ, расшифровывал их и запускал соответствующий функциональный генератор для формирования последовательность сигналов перемещения и подсветки луча ЭЛТ. Для увеличения производительности дисплейного процессора на его входе был установлен буфер, подкачка информации в который производилась во время построения очередного графического элемента. При этом использовалось не более 2—3 Кслов ОЗУ ЭВМ и не более 15 – 20 % времени работы М-400, оставляя значительный резерв производительности для решения основной задачи и для программируемых графических преобразований. 

Компоновка монитора ЭПГ-400

и изображение на экране

Для обеспечения требуемых параметров качества изображения в мониторе ЭПГ-400 была применена ЭЛТ высокого разрешения тип 43ЛМ2И. 

Основные технические параметры изображения:

Для обеспечения интерактивных возможностей в составе устройства использовались световое перо, функциональная и алфавитно-цифровая клавиатуры. Руководитель разработки – В.И. Фукс, основные разработчики – А.В. Миронов, В.А. Жуков, Е.В. Турецкий.

В эти же годы была утверждена Межведомственная программа работ по САПР с целью обеспечения необходимыми техническими и программными средствами оборонных отраслей промышленности. Программа предусматривала кооперированное производство комплексов и устройств САПР предприятиями «девятки». Головной организацией было определено ЦКБ «Алмаз» (Б.В. Бункин). Перед главным конструктором автоматизированного рабочего места (АРМ) В.В. Преснухиным стояла проблема выбора базового ядра АРМ из двух архитектурных линий АСВТ-М, подготовленных к серийному производству на предприятиях Минприбора СССР – М-400, разработки ИНЭУМ, и М-6000, разработки НИИУВМ (Северодонецк). Решающими факторами стали возможность оснащения их производительным графическим дисплеем и перспективами разработки программного обеспечения.

Задел в разработке системных программ – операционных систем, компиляторов с языков программирования, систем управления базами данных, с одной стороны, и экспертное мнение директора ИАиЭ член-корреспондента АН СССР Ю.Е. Нестерихина и заведующего лабораторией А.М. Ковалёва, имевших опыт создания систем графической визуализации и знакомых с работами ИНЭУМ в этом направлении, с другой, убедили В.В. Преснухина в перспективности использования в АРМ линии М-400 и ЭПГ-400.

С учётом потребности для комплексирования АРМ серийное производство М-400 с 1974 года было организовано на Киевском заводе ВУМ. Первые образцы ЭПГ-400 были изготовлены на львовском Производственном объединении им. В.И. Ленина, а серийное производство было передано на Гомельский завод радиотехнического оборудования (ГЗРТО). Там же осуществлялось комплексирование различных конфигураций АРМ. Сотни комплексов АРМ, поставленные оборонным предприятиям, научно-исследовательским и учебным институтам, стали базой внедрения современных технологий проектирования и подготовки производства. Свидетельством заинтересованности конструкторов к внедрению САПР служил неподдельный интерес к выставочным демонстрациям работающих образцов АРМ посетителей, многие из которых десятки лет проработали за чертёжными досками в своих КБ и «не могли представить, что ЭВМ сможет заменить кульман!»

Экранный пульт (графический) ЭПГ-400 был первым в семействе производительных графических терминалов, разработанных в ИНЭУМ.

ЭПГ-СМ (СМ 7300) –модернизированный вариант ЭПГ-400 и выполненный в конструктивах системы малых ЭВМ (СМ ЭВМ). Международные испытания были проведены в 1978 году. Серийно выпускался на заводе «Терминал» (Винница) для комплектования АРМ и измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) на базе моделей СМ ЭВМ, программно-совместимых с М-400– СМ-З, СМ-4, СМ-1420. Поставлялся на экспорт – в ВНР, ГДР и другие страны.

ЭПГ-2 СМ (СМ 7206) – графическая терминальная станция с встроенной 16-разрядной микро-ЭВМ СМ-1300. Приёмочные испытания – 1984 год. Завод изготовитель – «Энергоприбор» (Москва). Станция обеспечивала эксплуатацию в двух режимах:

• в качестве автономной вычислительной системы с графической формой представления информации;

• в качестве высокопроизводительного графического терминала, подключённого к основной ЭВМ. 

Разрешающая способность графического дисплея 1024 ×1024 точек, при этом число адресуемых точек полного изображения 8192 ×8192. Дисплейный процессор был выполнен на базе БИС микропроцессорных наборов, что позволило расширить набор его функций по масштабированию и смещению изображений, как в статическом, так и в динамическом режимах, реализации переходов с относительной адресацией и других.

ЭПГ-3 (СМ 7317) – цветной графический растровый терминал с разрешающей способностью экрана 768 × 1024 пикселей. Число цветов изображения – до 16. Приёмочные испытания – 1987 год. Предназначался для работы в составе АРМ на базе старшей модели СМ ЭВМ З2-разрядой СМ-1700. Характеристики устройства обеспечивали, в том числе, и работу с 3D объектами. Завод изготовитель – литовское ПО «Сигма» (Вильнюс).

Использование терминалов ЭПГ поддерживалось разработанными в ИНЭУМ пакетами программ базового программного обеспечения АРМ (БПО АРМ), о также пакетом программ графической корневой системы (ПП ГКС) –реализацией графического стандарта GKS[4], предоставлявшего пользователю аппаратно-независимые средства для разработки прикладных программ.

Во второй половине 1980-х Минприбор, с учётом складывавшейся в мировой практике тенденции использования САПР на базе персональных ЭВМ, организовал на московском заводе «Энергоприбор» производство АРМ, разработанного ИНЭУМ совместно с фирмой Quest Automation Ltd. (Англия) на базе 16-разрядной ПК Apricot. Было изготовлено более сотни комплектов АРМ, оснащённых крупноформатными графопостроителями и дигитайзерами.

Накопленный в ИНЭУМ опыт создания и подготовки производства вычислительной техники в 1977—1985 годах был использован при организации в Республике Куба разработки конструкторской документации и подготовки национальных и международных испытаний технических средств, включённого в номенклатуру СМ ЭВМ алфавитно-цифрового видеотерминала CID 7220. 27 октября 1978 года газеты Granma сообщила об успешном завершении его международных испытаний.  Для организации серийного производства видеотерминалов в рамках планов СМ ЭВМ кубинским Национальным институтом автоматизированных систем и компьютерных технологий (INSAC) были приобретены и введены в действие японские технологические линии для изготовления печатных плат и клавиатур. К сожалению, из-за изменения политической ситуации эти планы остались нереализованными.

В начале 1990-х годов в оборонных отраслях промышленности определялись возможные направления конверсии.По инициативе ИНЭУМ был разработан аванпроект и федеральная программа создания системы оперативной информации в медицине (СОИ-М). Предпосылками создания СОИ-М были:

• необходимость повышения качества локального и дистанционного медицинского обслуживания населения, в том числе в профилактическом, эпидемиологическом и экологическом аспектах;

• объективная необходимость интеграции медицинских знаний и «know-how», высокий уровень компьютеризации медицины и появление уникальных банков данных;

• необходимость высококвалифицированной консультативной помощи при ургентных состояниях и в условиях чрезвычайных ситуаций;

• достижения и заделы в области технических и программных средств создания, обработки, кодирования и передачи больших объёмов информации, включая визуальную;

• высокий потенциал конверсируемых отраслей промышленности, в том числе, в области систем связи на базе отечественных низкоорбитальных спутников («Сигнал», «Гонец»);

• собственные планы разработки локальной высокопроизводительной станции обработки изображений на базе RISC-микропроцессора.

Пояснительная записка к проекту программы была подписана Генеральным конструктором СМ ЭВМ Н.Л. Прохоровым, Генеральным конструктором НПО «Энергия» Ю.П. Семёновым, а от Минздрава РФ – Генеральным директором НПО «Экран» Б.И. Леоновым, Главным хирургом Минздрава РФ В.С. Савельевым, заместителем директора ЦИТО Г.И. Назаренко и другими. Программа создания СОИ-М была поддержана помощником Президента РФ по здравоохранению и экологии член-корреспондентом АН СССР А.В. Яблоковым. Поручением Правительства РФ ЮЯ-П12-26195 от 23.07.93 г. Минздраву РФ было предложено подготовить документы по финансированию программы из бюджета 1994 года. 

К сожалению, отсутствие финансирования и чрезмерная ориентация на импортные телекоммуникационные услуги на несколько десятков лет задержали начало работ по телемедицине в России.

Успешнее был реализован другой инициативный проект ИНЭУМ – разработка автоматизированной системы информационного обеспечения реализации колористической концепции архитектурного облика Москвы, использовавшей возможности компьютерной графики и системы управления базой данных изображений. Была разработана унифицированная форма бланков колористических паспортов фасадов зданий, утверждённая первым заместителем премьера правительства Москвы — руководителем комплекса перспективного развития В.И. Ресиным.

Система успешно эксплуатировалась в рамках совместных работ с Москомархитектурой, а в 1997 году была внедрена в мастерской архитектурной колористики «Моспроект-3» в целях разработки вариантов колористических решений, включаемых в соответствующий раздел паспорта. 

В 2011 году в Российском государственном архиве научно-технической документации образован фонд № 370, в который для постоянного хранения переданы подлинники конструкторской и программной документации, в том числе и систем визуализации, разработанных в Института электронных управляющих машин в период до 1993 года.

Литература

Нифонтов Ю.В., Фукс В.И. Устройство для индикации знаков на экране электронно-лучевой трубки. Авт. св. СССР № 283684. – Опубл. Б.И., 1970, № 31.

Боярченков М.А., Ландау И.Я., Преснухин В.В., Филин А.В., Фукс В.И. Автоматизированное рабочее место конструктора на базе машин СМ ЭВМ. — «Приборы и системы управления», 1977, № 11. — С. 7—8. 

Naumov B.N., Filinov E.N., Fooks V.I. Interactive Computer Graphics for the SM EVM series. - Proceedingsof the Society for Information Display, 1979, v. 20, № 4, p. 163—165

Фукс В.И., Лубков А.А. Устройство для отображения графической информации на экране электронно-лучевой трубки. Авт. св. СССР № 798791. – Опубл. Б.И., 1981, № 6.

Фукс В.И. Обеспечение интерактивных графических возможностей САПР. – В кн.: Автоматизация проектирования. – М.: Машиностроение, 1986. – С. 272—281.

Ефимов А.В., Прохоров Н.Л., Фукс В.И. Система информационного обеспечения реализации колористической концепции Москвы. — «Приборы и системы управления», 1997, № 9. — С. 1—3.

Фукс В.И. Интерпретация модели «колеса перевоплощений» в графических системах. – Вопросы радиоэлектроники, сер. ЭВТ, 2012, вып. 3. – С. 187—194.

Примечания

1. В 2016 году МЛТИ был преобразован в филиал МГТУ им. Н.Э. Баумана.  

2. В 1964 году директором института был назначен Н.В. Паутин, в 1967 – Б.Н. Наумов, в 1984 – Н.Л. Прохоров, в 2006 – А.К. Ким.

3. Имея в виду обеспечение программной совместимости комплекса М-400 и других 16-разрядных моделей СМ ЭВМ с PDP-11 директор ИНЭУМ Б.Н. Наумов смог договориться с фирмой DEC о цикле лекций по архитектуре PDP-11/20. Комментируя особенности американского менеджмента, представитель фирмы отметил, что в США отношения с фирмами ментально делятся – или «работать на фирму», или «работать с фирмой». Последнее подразумевало заинтересованность не только в заработной плате, но и достижении поставленных фирмой целей.

4. Инициатором разработки, распространения и использования международного стандарта GKSбыла Европейская ассоциация компьютерной графики (Eurographics).

Об авторе: к.т.н.
Помещена в музей с разрешения автора 28 января 2021