CC BY
71
Павлов С. В. Pavlov S. V.
доктор технических наук, профессор кафедры «Геоинформационные
системы», ФГБОУВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Павлов А. С. Pavlov A. S.
кандидат технических наук, доцент кафедры «Геоинформационные
системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Сайдуганов А. Р. Sayduganov А. Я.
аспирант кафедры «Геоинформационные
системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
Кунаккужина Н. Ф. Kunakkuzhina N. Е
аспирант кафедры «Геоинформационные
системы», ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа, Российская Федерация
УДК 004:94
ИНФОРМАЦИОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА
ПОСТРОЕНИЯ ГРАФОВ ИНЖЕНЕРНЫХ СЕТЕЙ НА ОСНОВЕ КАРТОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
В настоящей статье рассмотрена проблема совместной обработки пространственной, атрибутивной и сетевой информации об объектах инженерной сети для решения расчетных задач в сфере распределения энергоносителей. Существующие информационно-вычислительные комплексы в этой области не учитывают в полной мере пространственную составляющую объектов распределительной сети, являющуюся, несомненно, важным аспектом работы с территориально-распределенными объектами. В качестве подхода к решению этой проблемы в данной статье рассматривается разработка способа описания и хранения сетевой модели данных, агрегирующей комплекс разнотипной информации об объектах инфраструктуры распределяющей организации в рамках информационно-вычислительной системы построения графов инженерных сетей. Предложенный подход к решению данной проблемы необходим для обеспечения информационной поддержки принятия управленческих решений в организациях, где вопрос планирования инфраструктуры инженерных сетей является ключевым. Применение данного подхода позволяет производить расчет режимов работы инженерной сети, что, в свою очередь, может быть использовано при проектировании и модернизации объектов сети. В статье представлена формализация способов описания и хранения сетевой модели данных на основе теоретико-множественного подхода, что с единых методических позиций описывает пространственную, атрибутивную и сетевую информацию в рамках информационной среды предприятия, также разработан алгоритм получения сетевой модели данных из имеющегося комплекса разнотипных данных об объектах сети, являющийся развитием идеи о применении сетевой модели пространственных объектов. В качестве примера практического применения разработанного метода приводится задача моделирования режимов снабжения сети — гидравлический расчет газораспределительной сети в составе геоинформационной системы газораспределительной организации.
Ключевые слова: сетевая модель данных, пространственные данные, ГИС, инженерные сети, сетевой анализ, комплексная обработка, теоретико-множественный подход, граф, информационная поддержка принятия решений, гидравлический расчет.
INFORMATION-COMPUTATION SYSTEM FOR ENGINEERING NETWORKS GRAPH DEVELOPMENT USING CARTOGRAPHIC
INFORMATION
This article addresses the problem of the combined description of the spatial, attributive and network information about engineering network objects for calculation tasks in the resources allocation field. Existing information-computation systems used in this sphere doesn't support spatial aspects of distribution network objects. For solving this problem proposed the method of network model description and storage aggregating the complex of polytypic information about distribution organization infrastructure. This method was reflected in information-computation system for engineering networks graph creating. Proposed approach is required to provide information support of manage-
ment making-decision in organizations where the planning of utilities infrastructure is the key aspect. Applying considered approach allow us to calculate the operating mode of engineering networks that is required for networks objects designing and upgrading. In this article represented the formalization of network model description and storage using set-theoretical approach. Further developed an algorithm of network model obtaining from existing complex of polytypic data about network objects. As practical application of developed method considered the modeling of engineering networks operating mode, hydraulic calculation of gas-distribution network that used in geographical information system of gas-distribution organization.
Key words: network model, spatial data, GIS, engineering networks, network analysis, complex processing, set-theoretical approach, graph, information decision support, hydraulic calculation.
Введение
Распределение и передача энергетических ресурсов является актуальной и стратегически важной государственной задачей, поскольку решение вопроса эффективного обеспечения потребителей энергоносителями оказывает влияние на социальные, финансовые и экономические аспекты развития страны. Передача и распределение ресурсов в области нефтегазового сектора в большей части реализуется посредством трубопроводного транспорта, а для его эффективной модернизации и развития требуется информационная поддержка принятия решений, для осуществления которой рынок информационных технологий предлагает сегодня различные информационно-вычислительные системы (ИВС), которые используются, когда требуется обработка большого количества информации. Большинство из них ориентировано на решение конкретных узкоспециализированных аналитических задач, не учитывающих в полной мере для организаций, осуществляющих транспортировку энергоносителей, такую особенность, как то, что объекты, находящиеся в их ведении, распределены территориально (имеют пространственную составляющую). К таким объектам относятся и сами структурные подразделения компаний (секторы, филиалы, отделы), и непосредственно объекты эксплуатации (трубопроводы, различные станции, узлы и т.д.). Поскольку решение вопроса планирования развития инфраструктуры инженерной сети является ключевым моментом в стратегии управления предприятием, и не представляется возможным без учета простран-
ственной составляющей, то для оказания информационной поддержки принятия управленческих решений активно используются современные информационно-вычислительные системы разных классов (например, ERP) совместно с геоинформационными системами (ГИС), предназначенными для обработки пространственных, атрибутивных и сетевых данных об объектах инженерной сети (рисунок 1).
Обработка комплекса исходной информации об объектах инженерной сети подразумевает возможность производить расчет режима работы этой сети, который, в свою очередь, при проектировании новых и модернизации существующих участков инженерной сети поможет определить эффективную конфигурацию схемы и подобрать соответствующее оборудование и материалы. ИВС, используемые в ресурсора-спределительных организациях для обработки комплексной информации об объектах инженерной сети, зачастую не ориентированы на совместную обработку пространственной, атрибутивной и сетевой информации. Решение задач сетевого анализа, как правило, абстрагировано от пространственного аспекта, а также от атрибутивной информации, то есть тех компонентов, которые необходимы для моделирования режимов работы инженерной сети. Решение вопроса об эффективном способе совместной обработки пространственных, сетевых и атрибутивных данных в ИВС позволяет использовать их для решения ряда аналитических задач, имеющих значение для стратегии развития инженерной сети, например, для задачи расчета режимов работы инженерной сети.
Рисунок 1. Информационно-вычислительная система энергораспределительной организации
Таким образом, актуальными являются задачи разработки способа описания и хранения сетевой модели данных, описывающей совместно пространственные, атрибутивные и сетевые данные. Данная модель впоследствии будет необходима для решения различных аналитических задач, в том числе задачи моделирования режимов энергоснабжения по инженерной сети.
Совместное описание информации инженерной сети
Для комплексной обработки в рамках информационной среды предприятия разнотипной информации необходимо с единых методических позиций описать пространственную, атрибутивную и сетевую информацию об объектах инженерной сети.
Совместное описание всех объектов управления предприятия можно представить на основе теоретико-множественного подхода [1, 2] следующим образом:
I = ( ^атриб'^сетев'^пр) > (1)
где 1цтриб — атрибутивные данные, характеризуют описательную информацию объектов предприятия; 1сетев — сетевые данные, характеризуют связи между объектами предприятия; 1пр — пространственные данные, характеризуют пространственное расположение объектов предприятия.
Пространственные данные — один из видов информационных ресурсов, определяющих специфику их использования, отображения, обмена и поиска. К ним относятся, прежде всего, графическое представление пространственных данных в виде цифровых карт, их координатная привязка к земной поверхности и множество характеристик, связанных с графическими объектами, в соответствии с которыми можно менять отображение этих объектов, которые могут быть представлены в виде точечных, линейных и полигональных объектов, описываемых совокупностью координат. Качественные и количественные характеристики пространственных объектов выражаются множеством служебных атрибутивных данных — специальным информационным ресурсом, тесно связанным с пространственными данными об объекте, хранящимися и обрабатывающимися с ними совместно (идентификатор, наименование, набор свойств и так далее).
Пространственная информация об объектах инженерной сети может быть описана следующим способом:
Inp={Gpnt,GL,GPol}, (2)
где Gpnt — точечные объекты; GL — линейные объекты; GPol — полигональные объекты.
Таким образом, точечные объекты (расположение запорной арматуры, энергораспределительных станций, пунктов редуцирования и других объектов) можно определить в следующем виде:
;=ч> (3)
где ,ур ),{Attrp}) — пара координат и множество атрибутов j-ой точки; пр — количество точек.
В свою очередь, линейные объекты (расположение трубопроводов и других объектов) можно определить следующим образом:
] = \,пь,4 = \,ъп (4)
где и£ — количество линий; Ь] — количество вершин в /-ой линии.
Полигональные объекты (расположение зданий, зон обслуживания, районов и других объектов) также могут быть определены в следующем виде:
} = \,пм,1 = \,п, г = 2,ь,., где пр01 — количество полигонов; nj — количество линий в j-ом полигоне; Ь,- — количество вершин в /-ой линии.
Под атрибутивными данными понимается множество данных, описывающих свойства пространственных объектов, но не имеющих пространственной компоненты (координат, связи с пространственными характеристиками объектов), и которые не могут быть с ними ассоциированы. Атрибутивные данные хранятся и обрабатываются отдельно от пространственных.
Множество атрибутов инженерной сети может быть описано следующим способом:
1атриб^{ (Ц,Ш> (6)
где ({Лу}), — значение/-го атрибута /-го объекта.
Сетевые данные представляются в виде наборов данных, хранящих отношения связности об объектах сети. В качестве модельного представления выступает его граф, который определяется в следующем виде:
1сетев= {У,Е,Я}; (7)
где V — узлы графа; Е — рёбра графа; R — совокупность связей.
В свою очередь, узлы можно определить в следующем виде:
V = {V,, ь2,...,пп}, (8)
где «л — и-й узел, в качестве которого могут выступать источники и потребители инженерной сети.
В свою очередь, ребра можно определить следующим образом:
Е = {еь еъ...,еп}, (9)
где еп — и-ое ребро, в качестве которого могут выступать трубопроводы инженерной сети.
Для определения совокупности связей между узлами графа, представляющего сетевые данные, можно использовать различные способы его представления: в виде списков смежности (список ребер) и списков инцидентности (список узлов). Потребность в подобном представлении возникает при решении расчетных задач [3].
Например, для закольцованного графа (кусок участка инженерной сети с 4 потребителями, где 1, 3, 4 — физические и 2 — юридический, а также источник под номером 5) список смежности будет выглядеть согласно представленному в таблице смежности графа, а список инцидентности согласно таблицы инцидентности графа, изображенных на рисунке 2 [4].
В списке смежности каждое ребро представлено парой концевых узлов, а в списке инцидентности для каждого узла указаны все смежные с ним, поэтому можно считать, что список инцидентности является записью совокупности связей R между узлами [3].
2 Таблица смежности графа
Таблица инцидентности графа
et е2 e3 e4 e5
Vi Vi Vi v2 v2
v2 v3 V4 v3 V4
5 5
Рисунок 2. Схематичное и табличное представление графа
Способ хранения сетевой модели данных инженерной сети
Изначально данные объектов инженерной сети не содержат сетевую информацию в явном виде, потому что каждый тип объектов имеет свою совокупность данных, составляющими которых являются атрибутивная и пространственная информация, которые представляются в виде классов пространственных объектов, поэтому формализуем способ хранения сетевых данных вместе с пространственными и атрибутивными данными.
Пространственную и атрибутивную составляющие объектов класса пространственных объектов
можно представить в следующем виде: _
" (10)
Vi V2, v3, v4
V2 Vi, v3i v4
V3 Vi, V2i v4
Vi Vi, V2i v3, v5
Vs V4
Т= С,}, г = \,п0>] = \,пА
где п0 — количество объектов; п^ — количество атрибутов 1-го объекта; А. — значениеу-го атрибута /-го объекта; Gj — пространственная информация /-го объекта; Ц- — уникальный системный идентификатор /-го объекта, который не повторяется в совокупности информации объектов одного типа. В качестве единицы объекта выступает строка, в таблице 1 показан пример.
Таблица 1. Пространственно-атрибутивная таблица объектов
id A A 2 G
1 значение, , значение21 значение nA , геометрия1
2 значение, значение22 значение nA 2 геометрия2
n0 значениеng значение2 ng значение n , ngj геометрия ng
Сетевая составляющая объектов класса пространственных объектов обозначается как логическая сеть — это граф связности, который используется для представления и моделирования отношений связности между объектами инженерной сети.
Пространственные объекты в логической сети могут быть представлены в трех видах: точечные — в виде узлов, линейные — в виде ребер, связи между ребрами и узлами — в виде списка инцидентности и могут быть определены по формуле (7,) где V — совокупность узлов; E — совокупность ребер; R — совокупность связей.
Таким образом, совокупность узлов может быть определена следующим образом:
V = {Fv, Fidv, Sidv, Eid7}, (11) где Fv — идентификатор отдельного типа точечных объектов пространственно-атрибутивной составляющей, необходим для определения, к какому типу объектов инженерной сети относится данный объект; Fidv — идентификатор, который указывает на уни-
кальный идентификатор объекта в пространственно-атрибутивной составляющей; Sidr — уникальный идентификатор отдельного объекта, геометрия которого разделена узлами; Eidr — уникальный системный идентификатор узлов графа.
В свою очередь, совокупность рёбер может быть определена следующим образом:
Е= {FB ,FidB ,SidE ,EidE }, (12) где Fe — идентификатор отдельного типа линейных объектов пространственно-атрибутивной составляющей, необходим для определения, к какому типу объектов инженерной сети относится данный объект; FidE — идентификатор, который указывает на уникальный идентификатор объекта в пространственно-атрибутивной составляющей; SidE — уникальный идентификатор отдельного объекта, геометрия которого разделена узлами; EidE — уникальный системный идентификатор узлов графа.
Совокупность связей объектов графа может быть
определена следующим образом: _
R = {Fidv,{FidJ,Fidf}}, i = l,n, (13) где n — множество смежных узлов с общим инцидентным ребром; Fidv — узел; FidJ — смежный узел; Fidf — общее инцидентное ребро узла и смежного узла.
Представим в обобщенном виде пространственно-атрибутивные и сетевые данные и обозначим их как сетевую модель пространственных объектов:
' 1 = {{Т},1сетев}, (14)
где Т — класс пространственных объектов; I —
11 7 сетев
граф пространственных объектов.
После формализации способа хранения сетевой модели данных возникает необходимость создания механизма её получения, где для получения логических данных используется совокупность пространственной и атрибутивной информации. В качестве примера на рисунке 3 в виде блок-схемы отображены этапы получения информации сетевой модели данных.
На первом этапе производится идентификация каждой группы объектов инженерной сети, которые будут участвовать в создании сетевой модели данных, где необходимо определять только те объекты, которые имеют пространственную составляющую в виде точки или линии.
На втором этапе создаются пространственные системные точечные объекты на местах стыков линейных объектов, которые необходимы для того, чтобы обозначить те места, в которых нет пользовательских точечных объектов, где в качестве обоснования их
создания используется теория графов — между ребрами обязательно должны лежать узлы.
Рисунок 3. Блок-схема получения сетевой модели данных
На третьем этапе производится исключение тех системных точечных объектов, пространственные координаты которых соответствуют пользовательским точечным объектам.
На четвертом этапе создается сетевая таблица узлов V на основе точечных объектов, где в качестве источников информации используются результаты третьего этапа.
На пятом этапе создается сетевая таблица ребер Е на основе точечных и линейных объектов, где в каче-
стве источников информации используются результаты третьего этапа.
На шестом этапе создается таблица связанности узлов и ребер R на основе принадлежности точек линейным объектам, где в качестве источников информации используются результаты третьего, четвертого и пятого этапов.
В результате создается сетевая модель данных 1сетв и сохраняется в базе геоданных ИВС для дальнейшего использования.
Решение данного вопроса является развитием идеи о применении сетевой модели пространственных объектов в ГИС.
Практическое применение сетевой модели данных
В качестве примера использования разработанного метода приводится задача моделирования режимов снабжения сети (гидравлического расчета газораспределительной сети) в составе геоинформационной системы газораспределительной организации, имеющей сложную территориально-распределенную иерархическую структуру и большое количество сотрудников, которые используют в своей производственной деятельности пространственные, атрибутивные и сетевые данные. ГИС имеет сервис-ориентированную архитектуру (рисунок 1), предоставляющую следующие преимущества:
— одновременная работа большого количества пользователей;
— возможность централизованного хранения и обработки данных;
— снижение требований по программному и аппаратному обеспечению рабочего места пользователя;
— возможность более простого развития и модернизации системы.
Пользовательский интерфейс реализуется клиентской частью и запускается на любом веб-браузере, где в процессе работы формируются запросы к серверу и обрабатываются ответы от него. Клиентская часть состоит из совокупности модулей и файла конфигурации, благодаря чему обеспечивается возможность дальнейшей модернизации системы. Серверная часть, в свою очередь, получает запрос от клиента и выполняет вычисления, после чего формирует результат и отправляет его клиенту по сети с использованием протокола HTTP [4].
На рисунке 4 представлен пример логической сети для описания объектов газораспределения: трубопроводов, пунктов редуцирования газа (ПРГ) и потребителей, а также пример физической реализации сетевой модели пространственных объектов, где показано, каким образом связаны между собой физические объекты трубопроводов, ПРГ и потребителей с таблицами логических связей ребер и узлов, связи которых хранятся в таблице связей [5].
Трубопроводы
Таблица ребер
id название проектное давление длина диаметр стандарт материал geometry
t1 Труба 1 0.6 350 50 ГОСТ-1 сталь
t2 Труба 2 0.3 100 50 ГОСТ-1 сталь
t3 Труба 3 0.6 50 50 ГОСТ-1 сталь
Пункты редуцирования
тип id sub id
объектов объекта id ребра
1 t1 1 100
1 t1 2 101
1 t1 3 102
1 t2 1 103
1 t3 1 104
id название проектная пс факт. пс geometry
r1 Пр1 1000 100
Таблица узлов
Потребители
id название проектное потребление фактическое потребление geometry
p1 П1 2000 150
p2 П2 150 100
тип объектов id объекта sub id id узла
2 r1 1 50
3 p1 1 51
3 p2 1 52
Таблица связей
Рисунок 4. Пример логической сети с физической реализацией сетевой модели
узел смежность «узел, ребро»
50 -,101 51,101 -,103
51 50,101 -,102 52,104
52 51,104
Заключение
В работе предлагается подход к разработке информационно-вычислительной системы построения графов инженерных сетей, основанный на разработке способа совместного описания и хранения разнотипной информации, позволяющий представить в едином формализованном виде совокупность объектов инженерной сети распределительного предприятия, а также определить связи между этими объектами, используя уже имеющиеся пространственные и атрибутивные данные. Применение данного способа
позволяет решать большой диапазон аналитических и расчетных задач, результаты которых могут быть использованы для информационной поддержки принятия управленческих решений на предприятиях нефтегазового комплекса. Разработанный метод прошел апробацию при решении задачи моделирования режимов снабжения сети (гидравлического расчета газораспределительной сети) в составе информационно-вычислительной системы газораспределительной организации.
Список литературы
1. Egenhofer M., Sharma J. Topological relations between regions in R2 and Z2 // Third International Symposium on Large Spatial Databases (SSD'93). Lecture Notes in Computer Science, SpringerVerlag. — Singapore, 1993. — Vol. 692. — P. 316-336.
2. Kelley J.L. General Topology. New York: D. van Nostrand Company, Inc., SpringerVerlag., 1955. - 312 p.
3. Домнин Л.Н. Элементы теории графов: учеб. пособие. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. — 144 с.
4. Павлов С.В., Павлов А.С., Самойлов А.С. Обработка пространственной информации в распределенной ГИС ресурсораспределительной организации промышленного региона // Вестник УГАТУ — 2013. — Т. 17. — № 5 (58). — С. 122-128.
5. Бикташев Т.У., Павлов А.С., Сайдуганов А.Р. Разработка методов совместной обработки пространственной, атрибутивной и сетевой информации для
поддержки принятия управленческих решений на предприятиях нефтегазового комплекса // Геоинформационные технологии в проектировании и создании корпоративных информационных систем. — 2015. — C. 127-133.
References
1. Egenhofer M., Sharma J. Topological relations between regions in R2 and Z2 // Third International Symposium on Large Spatial Databases (SSD'93). Lecture Notes in Computer Science, SpringerVerlag. — Singapore, 1993. — Vol. 692. — P. 316-336.
2. Kelley J.L. General Topology. New York: D. van Nostrand Company, Inc., SpringerVerlag., 1955. - 312 p.
3. Domnin L.N. Elementy teorii grafov: ucheb. posobie. - Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2007. - 144 s.
4. Pavlov S.V., Pavlov A.S., Samoilov A.S. Obrabotka prostranstvennoi informatsii v raspredelennoi GIS
Data processíng facílítíes and systems
resursoraspredelitel'noi organizatsii promyshlennogo regiona // Vestnik UGATU. — 2013. — T. 17. — № 5 (58). — S. 122-128.
5. Biktashev T.U., Pavlov A.S., Saiduganov A.R. Razrabotka metodov sovmestnoi obrabotki pro-stranstvennoi, atributivnoi i setevoi informatsii dlya podderzhki prinyatiya upravlencheskikh reshenii na
predpriyatiyakh neftegazovogo kompleksa // Geoinformatsionnye tekhnologii v proektirovanii i sozdanii korporativnykh informatsionnykh sistem. — 2015. — C. 127-133.
v T'Ai Павлова А С.
't- Pavlova A. S.
' чСияЖ аспирант кафедры «Системы управления и контроля химических
ШшкЪ производств», ФГБОУ ВО «Московский государственный
íP^bW^ машиностроительный университет» (МАМИ),
■ЧчЕШЬт, г. Москва, Российская Федерация
УДК 004.58
СТАНДАРТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ МНОГОСВЯЗНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ
Эффективное управление технологическими объектами является важнейшим фактором при проектировании систем. В статье рассмотрен комплекс вопросов по созданию элементов управления для объектов многосвязного регулирования на примере разделительного производства. Указаны ключевые стадии для успешного создания автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП). Дана краткая характеристика разделительного производства, описываются основные единицы оборудования и их компоновка. Представлены структурная схема разделительного производства и параметры, используемые для диагностики технического состояния объекта и управления технологическими процессами разделительного производства.
Для контроля и управления объектами применяются промышленные контроллеры, имеющие программную модель согласно стандарту IEC 61131-3. Эта модель характеризуется такими свойствами, как структурированное программирование, иерархическая организация, программные интерфейсы. Важнейшим аспектом контролирования объектов является четко спроектированная система сбора и анализа данных. Для поддержки считывания больших объемов данных за очень короткое время для разделительного производства реализована функция статических регистров. Под статическими регистрами понимают четко заданную последовательность регистров, хранящую в себе номера для считывания и фактические значения. Функция статических регистров позволяет унифицировать метод управления рабочими данными по технологическому объекту и стандартизировать подход к проектированию АСУТП. В статье представлена структурная схема передачи данных и алгоритм конвертации статических регистров для аналоговых и дискретных значений. Главная задача — это корректная передача данных на систему верхнего уровня. Для этого отправляется циклическая телеграмма, которая содержит заголовок, метку времени и данные. На основе анализа управления сделаны выводы о применении единой методологии для реализации систем управления процессами с многосвязной структурой.
Ключевые слова: автоматизированная система управления технологическими процессами, регистры, статические регистры, стандарты, память процессора, производительность, унификация.
STANDARDIZATION OF TECHNOLOGICAL OBJECTS OF THE MULTICOUPLING REGULATION
Effective management of technological objects is the major factor in case of design of systems. In article the complex of questions on creation of controls for objects of the multicoupling regulation on the example of separating production is considered. Key stages for successful creation of the automated control system for technological process (PCS) are specified. The short characteristic is given to separating production, fundamental units of the equipment and their configuration are described. The skeleton diagram of separating production and parameters used for diagnostics of technical condition of object and control of technological processes of separating production is provided. The industrial controllers having program model according to the IEC 61131-3 standard are used to monitoring and object management. This model is characterized by such properties as the structured programming, hierarchical arrangement, program interfaces. The most important aspect of monitoring objects is accurately designed system of
