Разработка и исследование гибридной интеллектуальной информационной системы "Диспетчер" тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Мягкий, Алексей Евгеньевич

• Мягкий, Алексей Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мягкий, Алексей Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГИБРИДНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ - ОСНОВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

1 Основные типы интеллектуальных систем

1.1 Продукционные интеллектуальные системы. 1.2 Фреймовые интеллектуальные системы. 1.3 Интеллектуальные системы на основе семантических сетей. 15 .1.4 Интеллектуальные системы на основе формальных логических моделей.

1.5 Гибридные интеллектуальные системы

2 Обзор существующих информационных систем диспетчерского управления.

3 Недостатки существующих информационных систем

4 Преимущества гибридных интеллектуальных информационных систем

1.5 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГИБРИДНОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ.

2.1 Принципы построения и структура гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления.31.

2.2 Математическое обеспечение интеллектуальной подсистемы

2.2.1 Метод идеальной точки.

2.3 Математическое обеспечение подсистемы вычислительных модулей.

2.4 Выводы

3 СТРУКТУРА И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГИБРИДНОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «ДИСПЕТЧЕР».

3.1 Структура ГИИС «Диспетчер» 3.2 База данных и подсистема вычислительных модулей

3.2.1 База данных конфигурации РЭС .:.

3.2.2 Модуль расчета послеаварийного устоявшегося режима.

3.2.3 Модуль расчета утяжеленного режима

3.2.4 Модуль расчета оптимальной последовательности оперативных переключений.

3.3 Продукционно-фреймовая интеллектуальная подсистема формирования бланков переключений

3.4 Инструментарий разработки и программная реализация ГИИС «Диспетчер».

3.5 Сценарий работы ГИИС.

3.5.1 Сцена «Работа с базой данных».

3.5.2 Сцена «Расчет послеаварийного режима сети».

3.5.3 Сцена «Поиск последовательности переключений, составление бланка переключений».

3.6 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИИС «ДИСПЕТЧЕР»

4.1 Верификация ГИИС «Диспетчер»

4.2 Результаты тестирования ГИИС «Диспетчер»

4.3 Скоростные характеристики ГИИС «Диспетчер»

4.4 Требования к оборудованию и оценка экономической эффективности ГИИС «Диспетчер».

4.5 Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование гибридной интеллектуальной информационной системы "Диспетчер"»

Актуальность исследования. Внедрение информационных систем в повседневную работу диспетчеров стало остро необходимым по мере роста современных коммуникационных сетей и, соответственно, усложнения управления сетью в послеаварийных режимах с целью локализации и отключения поврежденного оборудования и быстрого восстановления питания всех потребителей после возможных аварийных возмущений.

Существующие на сегодняшний день информационные системы имеют, существенные недостатки. Методы, используемые данными системами для расчета послеаварийных режимов, являются недостаточно эффективными. Традиционные информационные системы, использующие только лишь вычислительные методы, не позволяют персоналу диспетчерских служб учитывать накопленный опыт при определении последовательности оптимальных действий для ликвидации аварийной ситуации. Использование для этих целей автономных интеллектуальных систем из-за невозможности использовать методы теории графов, алгебры матриц, вычислительной математики нерационально.

Эти обстоятельства сделали актуальной задачу создания гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления, включающей в себя подсистему вычислительных модулей и продукционно-фреймовую интеллектуальную подсистему, и ориентированную на оказание помощи оперативному персоналу при возникновении сетевых аварий.

Цель работы. Разработка и исследование гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления.

Задачи исследования:

- разработать структуру, принципы построения и функционирования гибридных интеллектуальных информационных систем для диспетчерского управления;

- разработать структуру подсистемы вычислительных модулей;

- разработать структуру продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы формирования бланков оперативных переключений;

- разработать методику верификации продукционно-фреймовых интеллектуальных систем;

- осуществить программную реализацию гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ;

- провести исследование разработанной продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы на наличие аномалий.

Методы исследования. Поставленные задачи решены с использованием методов теории графов, алгебры матриц, вычислительной математики, теории множеств, методов инженерии знаний и технологии построения экспертных систем.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

1. сформулированы принципы построения и разработана структура гибридных интеллектуальных информационных систем для диспетчерского управления;

2. разработана структура подсистемы вычислительных модулей;

3. разработаны модули расчета послеаварийного установившегося и утяжеленного режимов;

4. создан модуль расчета оптимальной последовательности оперативных переключений;

5. разработана структура продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы формирования бланков оперативных переключений;

6. предложена новая методика верификации продукционнофреймовых интеллектуальных систем.

Прикладная ценность полученных результатов состоит в создании эффективно работающей ГИИС «Диспетчер».

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций обусловлена корректным использованием методов теории графов, алгебры матриц, вычислительной математики, теории множеств, методов инженерии знаний и технологии построения экспертных систем, а также системным подходом к решаемым проблемам. Достоверность подтверждена работоспособностью и эксплуатацией ГИИС «Диспетчер» (служащей для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ).

Практическая ценность. Создана гибридная интеллектуальная информационная система для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ «Диспетчер», выполняющая следующие функции:

- расчет послеаварийного установившегося режима;

- расчет усиленного режима;

- расчета оптимальной последовательности оперативных переключений;

- формирование бланков оперативных переключений.

ГИИС «Диспетчер» требует следующей конфигурации системы: процессор Pentium 166 и выше, 16 - 32 MB ОЗУ, не менее 3.5 Кб жесткого диска. Для более комфортной работы с программой рекомендуется использовать ее в системе с характеристиками выше необходимого минимума, хотя при выполнении минимальных требований возможности предлагаемого программного продукта не ограничиваются.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены (в виде ГИИС «Диспетчер») в Динских РРЭС, Ленинградских РРЭС, ООО «Краснодарнефтегаз-Энергияж

Апробация результатов исследования. Основные положения были доложены и обсуждены на конференциях:

- IV Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные процессы в высшей школе» (г. Краснодар, 2000 г.);

- Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых «Перспективы развития современных информационных технологий» (г. Краснодар, 2000 г.);

- V Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог, 2000 г.);

- Международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» (г. Новочеркасск, 2000 г.);

- II Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в моделировании и управлении» (г. Санкт - Петербург, 2000 г.);

- Международной научно-практической конференции «Развивающие интеллектуальные системы автоматизированного проектирования и управление» (г. Новочеркасск, 2001 г.);

- Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы информатики в образовании, управлении и технике» (г. Пенза 2001 г.);

- Международной научно-технической конференции «Гибридные системы MODEL VISION SUDIUM» (г. Санкт-Петербург 2001 г.).

Работа удостоена диплома I степени на Межрегиональной научно-практической конференции молодых ученых «Перспективы развития современных информационных технологий» (г. Краснодар, 2000 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 статей и 6 тезисов докладов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- структура и принципы построения гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления;

- структура подсистемы вычислительных модулей;

- модули расчета послеаварийного установившегося и утяжеленного режимов;

- модуль расчета оптимальной последовательности оперативных переключений;

- структура продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы формирования бланков оперативных переключений;

- методика верификации продукционно-фреймовых интеллектуальных систем;

- гибридная интеллектуальная информационная система для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ «Диспетчер».

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов (глав) и заключения, изложенных на 118 страницах.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Мягкий, Алексей Евгеньевич

3.5 Выводы

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований работоспособности и эффективности ГИИС «Диспетчер».

Разработана и математически обоснована методика верификации продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы. Предложенная методика позволяет обнаружить все виды аномалий, характерные как для фреймовых, так и для продукционных интеллектуальных систем.

Рассмотрены результаты тестирования ГИИС «Диспетчер» на примере второй секции подстанции «Центральная» распределительной электрической сети г. Краснодара. Полученные результаты подтвердили работоспособность ГИИС «Диспетчер» и оптимальность выдаваемых ею рекомендаций.

Приведена оценка быстродействия ГИИС «Диспетчер». Полученные данные позволяют утверждать, что ГИИС «Диспетчер» превосходит по скорости работы существующие ИС.

Приведено обоснование экономической эффективности разработки ГИИС «Диспетчер».

Заключение.

Основным научным результатом диссертационной работы является разработка гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ.

Основные теоретические и практические результаты работы заключаются в следующем:

1 Обосновано создание гибридной интеллектуальной информационной системы для решения задач диспетчерского управления. Показаны преимущества данной системы над другими типами информационных систем.

2 Разработана структура и основные принципы гибридной интеллектуальной информационной системы для диспетчерского управления.

3 Предложен модифицированный метод узловых напряжений для расчета устоявшегося послеаварийного режима. Данный метод позволил значительно сократить время расчета послеаварийного режима, сохраняя при этом удовлетворительную точность результатов. Приведено обоснование адекватности и эффективности данного метода. На основе данного метода создан модуль расчета послеаварийного режима.

4 Разработан метод расчета утяжеленного режима, базирующийся на модифицированном методе узловых напряжений. Использование метода расчета утяжеленного режима позволяет диспетчеру прогнозировать поведение РЭС после выполнения выбранной им последовательности оперативных переключений. Создан модуль расчета утяжеленного режима.

5 Разработан алгоритм расчета оптимальной последовательности оперативных переключений. На основе разработанного алгоритма создан модуль расчета оптимальной последовательности оперативных переключений.

6 Разработана структура продукционно-фреймовой интеллектуальной подсистемы формирования бланков оперативных переключений, представляющая собой два взаимосвязанных модуля: механизм логического вывода и трехуровневую базу знаний и фактов.

7 Предложена и математически обоснована методика верификации продукционно-фреймовых интеллектуальных систем на основе раскрашенных предикатных сетей Петри. Предложенная методика позволяет обнаружить все виды аномалий, характерные как для фреймовых, так и для продукционных интеллектуальных систем.

8 Создана гибридная интеллектуальная информационная система для диспетчерского управления РЭС 6-10 кВ «Диспетчер», выполняющая следующие функции: расчет оптимальной последовательности оперативных переключений; формирование бланков ОП; расчет послеаварийного установившегося и утяжеленного режима.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мягкий, Алексей Евгеньевич, 2003 год

1. Автоматизация проектирования вычислительных систем: Языки моделирования и базы данных /Под ред. М. Брайера. М.: Мир, 1979.464 с.

2. Алексеев О.Г. Комплексное применение методов дискретной оптимизации. М.: Наука. Гл. ред. физ - мат. лит., 1987. - 248 с.

3. Антипов K.M. Пособие для изучения «Правил технической эксплуатации электрических станций и сетей». -М.: Энергия, 1979. 400 с.

4. Антонюк Б.Д. Информационные системы в управлении. М.: Радио и связь, 1986.-125с.

5. Батищев Д.И. Задачи и методы вектторной оптимизации. Горький: изд-во Горьков. Гос. ун-та, 1979. С. 44

6. Бернас С., Цек 3. Математические модели элементов энергетических систем: Пер. с польск. М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с.

7. Борисов А.Н., Левченков A.C. Методы интерактивной оценки решений. Рига: Зинатне, 1982. - 250 с.

8. Борисов А.Н., Федоров И.П., Архипов И.Ф. Приобретение знаний для интеллектуальных систем. / Рижский технический университет. Рига, 1991,- 120 с.

9. Брамеллер А., Аллан Р., Хэмэм Я. Слабозаполненные матрицы: Анализ электроэнергетических систем. М.: Энергия, 1979. 282 с.

10. Веников В.А., Литкенс И. В., Маркович И.М. и др. Электрические системы, т. 1. Математические задачи электроэнергетики. Под ред. Веникова В. А. Учеб. пособие для электроэн. вузов. М.: Высш. школа, 1970.- 336 с.

11. Вольфенгаген В.Э, Воскресенская О.В., Горбанев Ю.Г.С истс fvi а представления знаний с использованием семантических сетей // Вопросы киберненики: Интеллектуальные банки данных. М.: АН СССР. 1987. с.46.69.

12. Гаврилова Т.А. Извлечение и структурирование знаний для экспертных систем. М.: Мир, 1993. - 218 с.

13. Гаврилова Т.А. Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем. СПб.: Питер, 2001. 384 с.

14. Гаврилова Т.А., Червинская К.Р., Извлечение и структурирование знаний для экспертных систем. М.: Радио и связь, 1992. 160 с.

15. Геловани В.А., Башлыков А. А., Бритков В. Б., Вязилов Е. Д. интеллектуальные системы поддержки принятия решений во внештатных ситуациях с использованием информации о состоянии природной среды. М.: Эдиториал УРСС, 2001. 304 с.

16. Дубовой В.Г. Моделирование переключений в электроустановках. — Электричество, 1996, №11.

17. Жуков В.В., Максимов Б.К. Надежность распределительных электрических сетей 6 (10) кВ. Энергетика и Электротехника, 2002, №5.

18. Жуков JI. А., Стратан И. П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчетов. М.: Энергия, 1979. -416 с.

19. Идельчик В. И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1989. 548 с.

20. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

21. Калверт Ч. Delphi 2. Энциклопедия пользователя: Пер. с англ. Киев:

22. НИПФ ДиаСофт Лтд., 1996. 736 с.

23. Кини Р.Л., Райфа К. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ. / под ред. И.Ф. Шахнова М.: Радио и связь, 1981. - 560 с.

24. Кирсанов Б.С., Попов Э.В. Отечественные оболочки экспертных систем // Справочник по искусственному интеллекту. Т. 1 М: Радио и связь, 1990. с. 369-388

25. Козлов В.А. и др. Справочник по проектированию систем электроснабжения городов. Л.: Энергия, 1974. - 280 с.

26. Макаров И.М. Теория выбора и принятия решений. -М.:Наука, 1987. -350 с.

27. Малыхина М.П., Мягкий А.Е. Структура интеллектуальной системы для решения задач электроэнергетики. Инновационные процессы в высшей школе //Материалы VI Всероссийской научно-практической конференции / Кубан. гос. технол. ун-т. Краснодар, 2000. - с 61.

28. Тольяти, 2001. с. 398-400.

29. Микулич Л.И. Промышленная технология создания систем, основанных на знаниях // В сб.: Экспертные системы на персональных компьютерах.

30. M.: МДНТГ1 им Ф.Э. Дзержинского, 1990 с. 125-148.

31. Минский М. Фреймы для представления знаний. М.: Энергия, 1979340 с.

32. Моделирование процессов обработки информации и управления. -М.: МФТИ, 1990.-158 с.

33. Нейлор К. Как построить свою экспертную систему: Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 286 с.

34. Ope О. Теория графов. М.: Наука, 1986. - 312 с.

35. Орнов В. Г., Рабинович М. А. Задачи оперативного и автоматического управления энергосистемами. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 223 с.

36. Осипов Г.С. Информацирнные технологии, основанные, на знаниях // Ж. Новости искусственного интеллекта № 1, 1993. С. 7-41.

37. Осипов Г.С. Приобретение знаний интеллектуальными системами. М.: Наука, 1997,- 120 с.

38. Оузьер Д., Гробман С., Батсон С. Освой самостоятельно Dephi 5: Пер. сангл. под ред. Архангельского A.A. М.: Бином, 2000.-560с.

39. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П., Введение в системный анализ.-М.: Высшая школа, 1989. -367 с.

40. Подиновский В.В. Коэффициенты важности критериев в задачах принятия решений // Автоматика и телемеханика. 1978. № 10. С. 130 -141.

41. Понамаренко И.С., Соловьев Д.В. Управление послеаварийными режимами в распределительных электрических сетях. Электричество,1998, №8.

42. Попов Э.В. (ред) Динамические интеллектуальные системы в управлении и моделировании.М.: МИФИ, 1996. 152 с.

43. Попов Э.В. Статические и динамические экспертные системы. М.:1. Мир, 1996.-288 с.

44. Попов Э.В. Экспертные системы. М.: Наука, 1991, 230 с.

45. Райфа Г. Анализ решений : Пер. с англ. = М.: Наука, 1977,- 406 с.

46. Распределительные сети: как решить проблему оптимизации затрат. Отчет науч.-технич. конф. «Проблемы оптимизации затрат при передаче и распределении электрической энергии». Энергетика и Электротехника, 2003, №3.

47. Романовский И. В. Алгоритмы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1977.-352 с.

48. Салукадзе И.Е. Принятие решений при векторных показателях качества .//Нормативные и дискретные модели принятия решений. М.: Наука,1981.-211с.

49. Симанков B.C. Автоматизация системных исследований: Монография (научное издание). Кубанский государственный технологический университет. Краснодар, 2002. - 376 с.

50. Справочник по искусственному интеллекту в 3-х т.// под ред. Э. В. Попова и Д.А. Поспелова. М.: Радио и связь, 1990.

51. Таутндсен К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ: Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1990. - 320 с.

52. Тьюарсон Р. Разреженные матрицы. М.: Мир, 1977. 290 с.

53. Уотермен Д. Руководство по экспертным системам. М.: Мир, 1989. -388 с.

54. Хант Д. Искусственный интеллект. М.: Мир, 1986, 270 с.

55. Хетагуров Я. А., Древе Ю.Г. Проектирование информационно -вычислительных комплексов. -М.: Высшая школа, 1987. 280 с.

56. Холмский В.Г. Расчет и оптимизация режимов электрических сетей (специальные вопросы). Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1975.-280 с.

57. Частиков А.П., Дедкова Т.Г., Алешин A.B. Системы' искусственного интеллекта: Учеб. пособие Краснодар: КубГТУ, 1998.-166 с.

58. Частиков А.П., Дедкова Т.Г., Бельченко В.Е. Инструментальные средства программирования экспертных систем. Экспертные оболочки: Учеб. пособие. Краснодар: КубГТУ, 1996. - 102 с.

59. Частиков А.П., Мягкий А.Е., Янаева М.В. Моделирование гибридных экспертных систем. Гибридные системы. MODEL VISION STUDIUM:

60. Труды Междунар. Науч.-технич. конф. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2001. -с.71-76.

61. Частикова В.А, Мягкий А.Е., Нечепуренко C.B. Аномалии в экспертных системах. Аппаратные и программные средства систем управления, в пищевой промышленности. Сборник научных трудов. Краснодар: издательство КубГТУ 1999. - с 33-36

62. Четвериков В.Н., Ревунков Г.И., Самох1валов Э.Н. Базы и банки данных. -М.: Высшая школа, 1987. -210 с.

63. Шапиро Д.И. Принятие решений в системах организационного управления: использование расплывчатых категорий. -М.: Энергоатомиздат, 1983.-415 с.

64. Экспертные системы. Принципы работы и примеры /Под ред. Р.Форсайта. -М.: Радио и связь, 1987. -350 с.

65. Экспертные системы: инструментальные, средства разработки: Учебн.

66. Пособие / Керов JI. А., Частиков А.П., Юдин В.А., Юхтенко; Под ред. Юдина Ю.В. СПб.: Политехника, 1996. - 220 с.

67. Электрические системы: Математические задачи энергетики/Под ред. В.А. Веникова. М.: Высшая школа, 1981. - 766 с.

68. Электрические системы: Математические задачи энергетики/Под ред. В.А. Веникова. М.: Высшая школа, 1981. - 766 с.

69. Электротехнический справочник./Под ред. Грудинского П.Г. и др. М.: Энергия, 1975. - 752 с.

70. Электротехнический справочник./Под ред. Грудинского П.Г. и др. М.: Энергия, 1975. - 752 с.

71. Юдин Д.Б. Вычислительные методы' теории принятия решений.- М.: Наука, 1989. 320 с.

72. Яшин A.M. Разработка экспертных систем. Л.: ЛПИ, 1990 180 с.

73. Borghoff U., Pareschi R. Information Technology for Knowledge Management. Springer-Verlag, Bin, 1998 - 270 c.

74. Chih-Chou Chiu, Ling-Jing Kao, Deborah F Cook Combining a Neural Network with a Rule-Based Expert System Approach for Short-Term Power Load Forecasting in Taiwan. Expert System With Applications, Vol 13, No 4 pp. 299-305.1997.

75. Jensen K. Coloured Petri nets: basic concepts, analysis methods and practical use. Springer-Verlag 1995.

76. Landauer C. Correctness principles for rule-based expert Systems. Expert System With Applications, No 1 pp. 291 317. 1997.

77. Preece A.D. et all. Validating dynamic properties of rule-based systems. Int. Journal Human-Computer Studies. No 44 pp. 145 169 1996.