Методика формирования системы информационного мониторинга сложных технологических производств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.25.05, кандидат технических наук Столяров, Николай Владимирович

• Столяров, Николай Владимирович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Столяров, Николай Владимирович

Введение.

Глава 1. Применение СИМ как современных инструментальных средств для организации мониторинга объекта управления.

1.1. Обоснование разработки СИМ.

1.2. Особенности общей структуры СИМ.

1.3. Методологии построения СИМ.

1.3.1. Методология функциональной модели оператора (Operator Function Model - OFM)

1.3.2. Методология проектирования диалогового управления (Interactive Monitoring and Control -IMaC ).

1.3.3. Методология накопления знаний (Case-Based Reasoning -CBR).

1.3.4. Методология пошаговой автоматизации (Incremental Automation Methodology - IA).

Выводы.

Глава 2. Требования к мониторингу сложного технологического производства как объекта управления.

2.1 Описание объекта автоматизации.

2.2. Контурный подход как основной принцип формирования архитектурных решений по СИМ.

2.3. Описание контура управления безопасностью.

2.3.1. Постановка задачи.

2.3.2. Цели создания контура управления безопасностью.

2.4. Основные информационные функции контура управления безопасностью (КУБ)

2.5. Программно-технические решения СИМ ОУХО.

Выводы.

Глава 3. Проектирование СИМ на основе событийных моделей.

3.1 Событийные модели ИК и их составляющих элементов.

3.1.1 Понятие событийной модели функционирования ИК.

3.1.2 Модель агрегата.

3.1.3 Модель информационного потока.

3.2 Функционирование событийной модели.

3.3 Функционирование СИМ на основе событийной модели ИК.

3.4 Пример сравнения традиционного и событийного управления структурой потоков.

Выводы.

Глава 4. Методология проектирования общей СИМ для промышленного производства.

4.1. Архитектура СИМ и основные этапы ее разработки.

4.1.1. Общая архитектура СИМ.

4.1.2. Конструирование объектов.

4.1.3. Проектирование реализации.

4.1.4. Проектирование данных.

4.1.5. Использование среды ООП для создания пользовательского интерфейса СИМ.

4.2. Функционирование СИМ.

4.2.1. Основные задачи СИМ.

4.2.2. Технологические сценарии процессов.

4.2.3. Работа оператора со сценарием.

4.3. Пример подсистемы СИМ.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика формирования системы информационного мониторинга сложных технологических производств»

Актуальность проблемы. Автоматизированные системы информационного мониторинга (СИМ) производственных процессов" составляют на сегодняшний день основу для работы с большими« объемами технологической и управленческой информации на сложных промышленных производствах. Создание СИМ для сложных технологических производств и предприятий с. повышенным риском: является одним из основных средств, повышения безопасности работы на таких объектах и служит более эффективному управлению ими:,С ростом сложности производства увеличивается и численность оперативного, персонала, осуществляющего» контроль и обслуживание оборудования. Например, на производстве, по утилизации химического оружия персонал должен оперативно отслеживать множество параметров г от программ^ измерения и контроля; от датчико-преобразующей аппаратуры;; от программируемых логических контроллеров; до каналов обмена информацией между- контроллерами и целевыми компьютерами; от промышленных компьютеров-сборщиков технологической информации; от> других клиентов локальной вычислительной сети; из канала, обмена информацией с системой верхнего уровня. Все это* требует значительной нагрузки на оперативный персонал.

Важную роль в успешном;выполнении функций информационной поддержки играет человеческий фактор. Повышение • уровня автоматизации, связанного с развитием систем поддержки принятия; решений в комплексных СИМ в значительной степени повлияло • на участие человека-оператора в. управлении, такими объектами. 1

Современное технологическое производство с: точки зрения информационного мониторинга характеризуется в первую очередь большим количеством контролируемых параметров и управляющих воздействии, большинство из которых автоматически отслеживается и-задается СИМ в ходе работы технологического процесса. При обычном протекании технологического процесса роль человека - диспетчера сводится, как правило, к пассивному наблюдению за состоянием объекта и минимальному вмешательству в его управление. Однако существует значительное количество особьта режимов работы, когда роль диспетчера в управлении становится основной. Такие режимы характеризуются, прежде всего, относительно простыми- последовательностями дискретных шагов - операций; требующих интерактивного общения с оператором (такие режимы работы называются переходными или шаговыми). Это могут быть, например^, режимы- запуска или останова технологического процесса* вывод оборудования в резерв или подключение дополнительного оборудования. На каждом шаге такого режима- оператор; вынужден- руководствуясь информацией о текущем состоянии: объекта управления, его предыстории и исходя из своего предыдущего опыта работы* принимать решение по .выбору того или иного управления, иногда за очень ограниченное: время. Особенно это; касается аварийных нештатных, ситуаций. При одновременном выполнении на; объекте управления? .множества взаимодействующих дискретных режимов? человеку, осуществляющему общий мониторинг, необходимо; контролировать весь протекающий процесс (процессы) в целом, а не только состояния отдельных-его частей или исполнительных механизмов: Для решения этой задачи и разрабатываются комплексные СИМ,, обеспечивающие показания: от датчиков по; отдельным параметрам до интегральной оценки всего состояния всего объекта» управления в целом.

В связи с вышеизложенным, актуальной является; проблема создания системы комплексной , информационной поддержки работы производства как основы построения СИМ нового поколения, свободной от перечисленных недостатков и ориентированной на интеграцию в единую систему управления предприятием.

Цель диссертационной работы состоит в разработке методики комплексной информационной поддержки работы производства как основы построения системы информационного мониторинга нового поколения, ориентированной на интеграцию в единую систему управления предприятием

Для достижения указанной цели в диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

- проведен анализ применение СИМ с использованием современных математических и инструментальных средств для организации методики комплексного мониторинга за состоянием объекта;

- разработаны требования к методики комплексного мониторинга за состоянием объекта, предполагающей как оперативно-диспетчерское управление, так и супервизорное управление техническим состоянием объекта автоматизации;

- разработаны событийные модели объектов мониторинга, начиная от мониторинга отдельными механизмами на нижнем уровне и заканчивая супервизорными задачами верхнего уровня для всего объекта в целом; создание поддерживающего данные модели эффективного интерфейса оператора в СИМ с возможностью представления на экране дискретных процессов большой размерности (с большим числом операций) в удобной для визуальной обработки форме (иерархическое представление в виде диаграмм);

- разработаны методики построения на основе данных моделей прототипа СИМ, как инструмента для информационного обеспечения оперативного персонала и профильных специалистов.

Объектом исследования является промышленные предприятия, проводящие автоматизацию управления производственных процессов.

Предметом исследования являются методы и методики построения системы информационного мониторинга для поддержки принятия решений по управлению производственных процессов.

Методология исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составляет системный подход к моделированию сложных промышленных производств.

В ходе проведения исследований использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области математического программирования и методов управления предприятиями.

При решении конкретных задач были использованы элементы теории вероятностей, математической статистики, теории конечных автоматов, теории графов, методах системного и прикладного программирования.

В качестве источников были взяты материалы научной периодики, конференций и семинаров.

Диссертационная работа по своему содержанию соответствует пункту 1 Паспорта специальности 05.25.05 информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики.

Наиболее существенные научные результаты, полученные в диссертации:

1. Проведен анализ действий оператора по управлению сложных промышленными объектами, связанных с одновременной работой множества взаимодействующих дискретных процессов, на основе которого были сформулированы требования к разработке методики проектирования диспетчерского управления и ПО СИМ.

2. Обоснован выбор методологии OFM для проектирования СИМ, с помощью которой удобно и просто представлять иерархическую структуру процессов вплоть до отдельных операций.

3. Предложена концепция информационных контуров (ИК), параллельно функционирующих на разных уровнях производства, которая позволяет анализировать совместно все участвующие в «работе» контура функции на полноту, непротиворечивость и эффективность.

4. Показано, что основным преимуществом разрабатываемой СИМ является развитая система визуализации модели объекта как набора данных в виде всевозможных мнемосхем с аппликацией динамики, построения трендов любых параметров с привязкой к реальному времени, ведение архива параметров, событий и отчетности.

5. Разработаны основные базовые решения для контура управления безопасностью такие, как:

- событийное моделирование ИК как совокупности моделей динамики параметров потока (массы, объема, энергии, кинетики и т.д.) и моделей, характеризующих структурные свойства процесса и потока событий, связанных с подготовкой, запуском, выполнением и завершением (гашением) процесса;

- набор событийных моделей, включая модель агрегата, модель технологического процесса и модель структуры производства - технологическую сеть, достаточные для имитации структуры и поведения потоковой технологии;

- схема мониторинга информационных потоков на основе событийного моделирования, в которой вся функциональность СИМ направлена на обслуживание запросов моделей процессов, т.е. на обеспечение выполнения динамики их жизненных циклов.

6. Организация работы системы через ИК, информационные потоки в технологической сети и структурирование все информации по процессам открывают качественно новые возможности анализа параметров продуктов и характера использования ресурсов - не просто по времени, как это делается в традиционных СИМ, а в привязке к конкретным технологическим процессам; что создает предпосылки для реализации комплексного мониторинга процессов на промышленном объекте.

7. Реализован прототип СИМ для интерфейса оператора с помощью методики объектно-ориентированного проектирования, которая является эффективным средством, позволяющим в любое время расширять и модифицировать ПО системы. Это особенно важно для объектов, где смена технологии выполнения процессов влечет смену или модификацию операторского интерфейса.

8. Экспериментальное исследование СИМ по обеспечению безопасности производства ОУХО показало, что оно позволяет сбалансировать оснащение: технологии; административных процессов обслуживания оборудования и ликвидации последствий нежелательных инцидентов; процессов обеспечения безопасности; средствами автоматизации и тем самым создает реальную основу предотвращения возникновения аварийных ситуаций. Научная новизна работы заключается в: разработке новой интегрированной методики формирования информационного обеспечения для системы мониторинга на основе событийных графических моделей элементов технологического объекта управления, включая модели агрегатов, технологических процессов и сценариев поведения всего объекта. Причем динамика поведения этих моделей задается жизненными циклами - конечными автоматами специального вида;

- построении на основе предложенных моделей комплексной СИМ, решающей задачи мониторинга на всех уровнях управления производственной структуры объекта.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждена убедительной аргументацией постановок задач, корректным обоснованием и анализом моделей, наглядностью интерпретаций формальных построений.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что разработанные модели, механизмы, базовые основы концепции СИМ создают методологическую базу для совершенствования действующих систем управления базами данных (СУБД) и создания новых СУБД, путем включения в них соответствующего программного обеспечения для оперативно-диспетчерского и супервизорного мониторинга состоянием объекта автоматизации.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: I и II Международной НПК «Информатизация и глобализация социально-экономических процессов» (Москва, ВННИПВТИ, 2006г., 2007г.); 7-й Международной НТК «Проблемы регионального и муниципального управления» (Москва, РГГУ, 2007); МФТИ, РГГУ и ВНИИПВТИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научных публикации.

Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения, общим объемом 143 страницы.

Заключение диссертации по теме «Информационные системы и процессы, правовые аспекты информатики», Столяров, Николай Владимирович

Выводы.

С помощью методики объектно-ориентированного проектирования был реализован прототип СИМ для' интерфейса оператора в рамках мониторинга сложным промышленным объектом. Данная методика является эффективным средством, позволяющим в любое время расширять и модифицировать ПО системы. Это особенно важно для объектов, где смена технологии выполнения процессов влечет смену или модификацию операторского интерфейса. В настоящее время большинство инструментальных средств (ЗСАОА-системы) так или иначе, применяют методику объектно-ориентированного проектирования с использованием универсального языка моделирования иМЬ.

Создание СИМ на основе сформулированных решений решает задачи обеспечения безопасности в рамках концепции комплексного мониторинга ОУХО, что позволяет сбалансировать оснащение: - технологии;

-административных процессов обслуживания оборудования и ликвидации последствий нежелательных инцидентов;

- процессов обеспечения безопасности; средствами автоматизации и тем самым создает реальную основу предотвращения возникновения аварийных ситуаций.

Заключение.

Как уже отмечалось, создание автоматизированной СИМ в рамках единой информационной технологии проектирования для сложных производств является одним из основных средств повышения безопасности работы и служит более эффективной работе. Применение СИМ является частью данной информационной технологии и направлено, прежде всего, на повышение эффективности работы операторского персонала при дискретных режимах работы объекта управления за счет дружественного человеко-машинного интерфейса. Управление данными режимами составляет значительную часть от общих управленческих задач технологическими процессами и имеет ярко выраженный интерактивный характер. Поэтому в проектируемой СИМ на уровне оператора необходимы: поддержка соответствующих событийных моделей дискретных процессов, составляющих их элементов и инструментальные средства для ее анализа. Кроме того, учет особенностей объекта в СИМ помогает персоналу при оперативном анализе ситуации и в решении супервизорных задач производства.

С другой стороны построение СИМ на принципах объектно-ориентированного проектирования, и соблюдение модульной архитектуры позволяют легко проводить последующую модернизацию системы, а также упрощают поддержание дисциплины обмена информацией по локальной сети.

В этой связи развитие методов и общих подходов к проектированию СИМ для сложных объектов представляется достаточно актуальным.

К основным результатам данной работы можно отнести следующие: 1. Рассмотрены и проанализированы основные существующие методики проектирования систем мониторинга процессов на основе БСАОА-систем. Для класса дискретных технологических процессов показана необходимость представления человеку-оператору полной картины функционирования объекта управления с использованием иерархической модели взаимодействующих процессов в рамках MMI интерфейса СИМ.

2. В качестве примера производственного объекта рассмотрена система безопасности производства по уничтожению химического оружия -ОУХО и предложен контурный подход к анализу всех информационных потоков на предприятии.

3. Предложено событийное моделирование информационных потоков' на производстве как совокупность моделей динамики параметров потока (массы, объема, энергии, кинетики и т.д.) и моделей, характеризующих структурные свойства технологического процесса и потока событий, связанных с подготовкой, запуском, выполнением и завершением (гашением) процесса.

4. Разработан набор событийных моделей, включая модель агрегата, модель технологического процесса и модель структуры производства -технологическую сеть, достаточные для имитации структуры и поведения потоковой технологии. В этих моделях, атрибутах и жизненных циклах достаточно информации для мониторинга всего объекта.

5. Разработана методика проектирования СИМ на основе применяющихся в существующих CASE-системах с использованием объектно-ориентированного подхода и запрограммирован прототип данной СИМ. При проектировании использованы CASE-системы: Rose Business Process Link и Rational Rose, а также ERwin для проектирования потоков данных.

Научная новизна и практическая' ценность работы состоит в разработке общей методики к проектированию СМП для объектов такого класса на основе объектно-ориентированного подхода, что существенно облегчает работу оператора и снижает риск возникновения аварийных ситуаций при оперативном управлении сложными объектами.

Концепция комплексного мониторинга представляет собой сочетание континуальных моделей динамики параметров потоков, событийных моделей структуры потоков и сценарных моделей административных процессов обслуживания оборудования. Она может служить основой создания автоматизированной системы информационного мониторинга ОУХО, охватывающей технологию, производство, безопасность, ориентированной на предотвращение возникновения аварийных ситуаций и полностью соответствующей требованиям документа «О единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» [22].

Таким образом, описанный подход к проектированию интегрированной СИМ позволяет решить задачу повышения эффективности оперативного управления сложными системами и тем самым увеличить надежность работы таких систем.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Столяров, Николай Владимирович, 2008 год

1. Объектная ориентация: философия и футурология // Открытые системы. 1996 № 6 (20), с. 40-45 .

2. Альперович И., Толмасская И. АСУ ТП из коробки // Компьютерная неделя №8 (82), 1997.

3. Амбарцумян A.A. и др. Проблемно-ориентированный язык описания поведения систем логического управления ФОРУМ-М // Проектирование устройств логического управления. М.: Наука, 1984.

4. Амбарцумян A.A., Казанский Д.Л. Управление технологическими процессами на основе событийных моделей, «Автоматика и телемеханика», №10-11,2001.

5. Аншина М.Л. Предприятие как единый объект автоматизации. Размышления на тему // и системы связи, №1, 1998, с.48-55.

6. Бабиков В.М., Панасенко И.М. Роль человеческого фактора в обеспечении безопасности АЭС // Атомная техника за рубежом. 1989, №12,с.З-10.

7. Буч Г. Объектно-ориентированное проектирование с примерами применения. Пер. с англ. Киев: «Диалектика», 1993.

8. Волик Б.Г. Автоматизация управления подводными лодками. // Автоматика и телемеханика. 1999, №6, с.23-30.

9. Воронов A.A. Основы теории автоматизированного регулирования и управления//М.: Энергоиздат, 1981, 303 с

10. Давиденко К .Я. Технология программированного АСУ ТП. М.: Энергоатомиздат, 1986, 183 с.

11. Давиденко К.Я. и др. Распределенные АСУ технологическими процессами. М.: 1985.

12. Жарко Е.Ф., Ильюков В.Д. и др. Опыт разработки систем информационной поддержки операторов АЭС // Принятие решения при управлении сложными объектами: системы, методы, алгоритмы. М.: Институт Проблем Управления, 1997, вып.4, с.7-35.

13. Ицкович Э.Л. и др. Опыт использования открытых SCADA-программ // Промышленные АСУ и контроллеры. 1999, №11, с.36-38.

14. Казанский Д.Л., Информационные системы для крупных индустриальных объектов, «Сети и системы связи», №8, 1996.

15. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ. М.: «ЛОРИ», 1996, 242с.

16. Курата Д. Работа с объектами в Microsoft VB4.0 М. CK Пресс, 1997.

17. Куцевич Н. Компонентные технологии в системах промышленной автоматизации // Открытые системы, 1999, №4.

18. Маклаков C.B. Bpwin и Erwin CASE-средства разработки информационных систем. М.: «Диалог-МИФИ», 1999.

19. Марка Д., Оуэн М.К. Методология структурного анализа и проектирования. М.: «Метатехнология»,1993.

20. Машин В.А. Компьютеризированные системы поддержки операторов АЭС (психологические проблемы) // Электрические станции. 1995, №7, с.2-1.

21. Постановление Правительства РФ «О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» от 30 декабря 2003 г. №794.

22. Прангишвили И.В., Амбарцумян А.А. Основы построения АСУ сложными технологическими процессами. М. Энергоатомиздат, 1994.

23. Прангишвили И.В., Амбарцумян А.А. Научные основы построения АСУ ТП сложных энергетических систем. М.: Наука, 1992.

24. Прагишвили И.В., Ильюков В.Д. и др. Постановка комплекса задач интеллектуализированной системы информационной поддержки операторов АЭС // Моделирование и контроль технологических процессов АЭС. М.: Институт Проблем Управления, 1991, с.5-27.

25. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. Пер. с англ., Киев: «Диалектика», 1993.

26. Юдицкий С.А., Кутанов А.Т. Технология проектирования архитектуры информационно-управляющих систем. // Препринт ИПУ, М. 1993.

27. Юдицкий С.А., Магергут В.З. Логическое управление дискретными процессами. М.: Машиностроение, 1987, 175с.

28. Bainbridge L. Ironies of automation // J. Rasmussen, K. Duncan, & J. Leplat (Eds.), New Technology and Human Error. New York: John Wiley & Sons Ltd., 1987, pp. 271-283.

29. EndsleyM.R., Kiris E.O. The out-of-the-loop performance problem and level of control in automation // Human Factors, 1995, №37(2), pp. 381-394.

30. Hutchins E.L., Hollan J.D., Norman D.A. Direct manipulation interfaces // D.A. Norman & S.W. Draper (Eds.), User centered system design. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, 1986, pp. 87-124.

31. Klein G.A. A Recognition-Primed Decision (RPD) Model of Rapid Decision Making // G.A. Klein, J. Orasanu, R. Calderwood, & C. E. Zsambok, (Eds.) Decision Making in Action: Models and Methods. Norwood, NJ: Ablex Publishing Corp, 1993, pp. 138-147 .

32. Mitchell C.M. GT-MSOCC: Operator models, model-based displays, and intelligent aiding // W. B. Rouse (Ed:), Human/technology interaction in complex systems. Greenwich, CT: JAI Press Inc. 1996, Vol. 8, pp. 67-172.

33. Norman D.A. The psychology of everyday things. New York: Basic Books, 1988.

34. Rasmussen J. Information processing and human-machine interaction: An approach to cognitive engineering. New. York: North Holland, 1986.

35. Sanders, M.S., McCormick, E.J. Human factors in engineering and design. New York: McGraw Hill, 1987.

36. Sheridan T.B. Telerobotics, Automation, and Human Supervisory Control. Cambridge, Massachusetts: The MIT Press, 1992.

37. Thurman D.A., Mitchell C.M. A design methodology for operator displays of highly automated supervisory control systems // Proceedings of the 6th IFAC/IFIP/IFOR/SEA Symposium on Analysis, Design, and Evaluation of Man Machine Systems, Boston, MA, 1995.

38. Thurman D.A. The interactive monitoring and control (IMaC) design methodology: application and empirical results // Proceedings of the 41st Annual Meeting of the Human Factors and Ergonomics Society, Albuquerque, NM, 1997.

39. Wickens C.D., Kessel C. Failure detection in dynamic systems // J. Rasmussen & W. B. Rouse (Eds.), Human Detection and Diagnosis of System Failures. New York: Plenum Press, 1981, pp. 155-169.