CC BY
47
УДК 658.012.011.56:658.512
Г.М. Чуркин, А.М. Великанов, Е.А. Тырин ФОРМИРОВАНИЕ АЛЬТЕРНАТИВ В ЗАДАЧЕ ВЫБОРА КОНФИГУРАЦИИ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АСУ ТП
Рассматривается построение конечного множества конфигураций в задаче выбора конфигурации иерархической структуры технических средств АСУ ТП. Приводится постановка задачи построения конечного множества конфигураций. Описывается методика формирования конфигураций структур иерархического вида.
Структура системы управления, задачи выбора
G.M. Churkin, А.М. Velikanov, Е.А. Tyrin DEVELOPING ALTERNATIVES FOR THE HIERARCHICAL STRUCTURE OF A HARDWARE CONFIGURATION IN THE AUTOMATIC PROCESS CONTROL SYSTEM
The article deals with the construction of a finite set of configurations when selecting the configuration hierarchy in the automatic process control systems. The chal-
lenging issue is related with the construction of the finite set of configurations. A method for the formation of structures with a hierarchical configuration is presented.
The structure of the control system, the problem of choosing
Ведение. Определение структуры технических средств реализуется на этапе «Формирование техники и технологии управления» разработки административной системы управления технологическим процессом (ТП) [5]. В документах по проектированию административно-управленческой системы ТП отражены все функции административного персонала по преобразованию информации при формировании управления ТП. Технические средства автоматизации этих функций могут быть персональными или общего пользования (в рамках какой-либо системы). Далее будем рассматривать случай общего пользования.
Для определения элементов структур в качестве главных функций будем рассматривать оценку состояния ТП (контроль) и формирование управляющих воздействий (управление) информационным путём. В управлении при формировании альтернатив в качестве подфункции будем рассматривать координацию.
Конкретное содержание функции раскрывается совокупностью составляющих ее задач контроля и управления, которые являются структурообразующим элементом для состава организационных элементов системы управления [6].
Эти задачи реализуют информационным способом работами по преобразованию информации:
- получения информации;
- преобразование формы;
- передачи;
- получение новой информации (обработка);
- хранения;
- преобразование информации в действие.
Приведём техническую реализацию перечисленных информационных работ для их автоматизации [7]:
- получение информации - датчики различной природы;
- преобразование формы - нормирующие преобразователи и средства отображения информации;
- передачи - устройства приёма и передачи, коммутации, каналы связи;
- получение новой информации (обработка) - контроллеры, ЭВМ;
- хранения - базы данных, серверы;
- преобразование информации в действие - исполнительные устройства различной природы.
Среди разнообразных по виду структур технических средств рассмотрим иерархические
структуры. Элементы какого-либо уровня этой иерархической структуры выполняют какую-либо информационную работу главных функций системы управления. Конфигураций иерархической структуры может быть конечное число, из которых можно выделить по каким - либо требованиям конкретные конфигурации, участвующие в задаче выбора.
Задача выбора является частным случаем задачи принятия решения [1]. Одним из основных элементов задач выбора является исходное конечное множество альтернатив [2,3 ]. В нашем случае альтернативами являются иерархические конфигурации структуры системы (топология физическая). Элементами конфигурации будут элементы структуры, взаимодействия (связи) и отношения между ними.
В качестве средств описания структур используются графические, матричные и аналитические модели графа [4]. В дальнейшем под моделью обобщенных структур будем использовать графическую модель графа.
В работах по структурному синтезу в качестве альтернатив рассматривают физические элементы системы [2, 3]. Связи между элементами не рассматриваются. Виды конфигураций структур либо не заданы [2] и это означает, что свойства структуры (системы), получаемые от организации взаимодействий элементов, не учитываются, либо конечное множество конфигураций задано [3], а вопрос полноты этого множества остаётся открытым.
Рассмотрим формирование альтернатив в задаче выбора конфигурации иерархической структуры технических средств АСУ ТП
Постановка задачи
Пусть Sk альтернатива, как k-я модель структуры системы управления ТП, описывается ориентированным графом
GK=(XK, Rк), о (1)
где множество вершин Хк разбито на совокупность непересекающихся подмножеств XK UX K...UХ\, ...UXNк, а из существования дуги rk = (xlpk, л1'1^) следует, что инцидентные дуге вершины принадле-170
жат разным подмножествам, т.е. х ркЕХ к; х1'1^кЕХ'1к; Х к, Х'\ £Хк и Х к Ф Х-1к . Подмножества вида Хк принято называть уровнями (долями) графах [4, 8]. Из определения следует, что все уровни являются независимыми множествами вершин.
Вершины Х иерархического графа (1) являются технической реализацией различных функций или подфункций, реализуемых проектируемым объектом.
Заданы вершины нулевого уровня Хк. Это измерительные устройства (датчики) и исполнительные механизмы, которые преобразуют информацию в действие. Одновременно задан элемент (корень) верхнего уровня Хк, выполняющий функции оценки состояния объекта управления и функции стратегии и оперативного управления. На выбор элементов промежуточных уровней дополнительных условий (принуждение, необходимость, бинарный запрет на сочетание, двойное принуждение) на данном этапе разработки структуры не накладывают. Основное требование при выборе - выполнении подфункции. выполняемой на рассматриваемом уровне.
Дуги графа описывают взаимодействия между вершинами: структурные, управляющие, информационные и другие связи. В данном случае рассматриваем информационные связи контроля и управления. Допускается наличие кратных дуг: две вершины могут соединяться несколькими дугами.
Бинарное отношение взаимодействия Я вершин г-го уровня с вершиной [-1 -го уровня или обратное ему бинарное отношение взаимодействия (Я)-1 вершин г-1-го уровня в вершину г-го уровня при этом определяется как
Х г-1 Их г
Х /лк вк
где Х 'рк £ Х ’ , хЛ-1 е Х 1 - вершины г-го и г-1-го уровня соответственно; Хк, Хк - множества
вершин -го и -1-го уровня соответственно.
Отношения взаимодействия Я1 между вершинами 1-го уровня (рис. 1) определяются как
Х лкЯ Х вк
Связи классифицируются по тому, что они связывают:
я = Я1и Я2; Я1 = {ХЛ Яхвк}; Я2 = {ХцкК1 Хвк} ;[=1 ^ (2)
где Я1 = { Х Ях вк }- множество вертикальных отношений (связей); Я 2 = { Х 'мкЯ1х 1рк }-
множество горизонтальных отношений (связей);
Ориентация дуг в графе взаимодействий введена, чтобы определить смысловые роли в отношениях из множества Я1 и Я2 . Например, в отношении «наследование между классами» дуги ориентированы в направлении от вершины-источника к вершине-приёмнику.
Далее каждая из Я[, [ = 1,2 можно разбить на типы в зависимости от способов взаимодействий инцидентных вершин: ^ ^ ^
где К1, К2 - количество групп в группировках.
Например, из И1 можно привести отношения типа «процедура-параметр», «функция-результат», «переменная-тип». К группам второго вида можно отнести отношения между вершинами:
«предыдущее состояние - следующие состояние « или «включение» (информация (файл вершины) подставляется в файл другой вершины одного уровня).
Требуется определить конечное множество конфигураций (альтернатив) 5={5Ь...&,,...£„} вида (1), как возможных вариантов базовых организационных структур. Модели базовых организационных структур должны различаться количеством уровней, количеством отношений взаимодействия между элементами двух соседних уровней и количеством отношений взаимодействия между элементами одного уровня (2), кроме нулевого и верхнего.
Рис. 1. Связи между вершинами одного уровня
Оборудование ТП
3
с
Решение
Предлагается формирование альтернатив осуществить в два этапа. Первый этап - формирование обобщённого направленного графа как модели обобщённой структуры [8]. На втором этапе путём трансформации обобщённого графа по определённым правилам формируются различные виды альтернатив.
Подходы к формирование обобщённого графа
При формировании административно-управленческих структур используется согласованное формирование «сверху» и «снизу» [5]. В результате получаем иерархию производственных подразделений и деятельности персонала подразделений, необходимых для эксплуатации ТП. Это значит, что мы имеем иерархию функций, а значит и иерархию задач и работ. Аналогично для организационной структуры ТС АСУ ТП процесс формирования может происходить «сверху» и «снизу».
При структуризации «сверху» будем использовать признак принадлежности функции (как вида деятельности персонала) к элементам оборудования ТП. Иерархия элементов оборудования ТП представлена на рис. 2. Здесь оборудование рассматривается как элемент стадий ТП (операции), а каналы - как технические средства, необходимые для формирования информации и управляющих воздействий в ТП. Заметим, что оборудование может реализовывать несколько операций.
Поставим в соответствие подфункциям уровни обобщённого графа. При этом положим, что функции иметь единственное разделение на подфункции. Технические реализации подфункций представим в виде вершин. Пару вершин свяжем дугой тогда и только тогда, когда не существует запретов на реализацию взаимодействий в составе одного технического объекта или процесса. Дадим характеристику информационных работ, реализующих выполнение подфункций на уровнях обобщённого графа.
Технические средства корневой вершины графа (1) при отсутствии других уровней, кроме нижнего, реализуют следующие информационные работы по отношению к ТП:
- преобразование формы - нормирующие преобразователи и средства отображения;
- передачи - устройства приёма и передачи, коммутации, каналы связи;
- получение новой информации (обработка) -контроллеры, ЭВМ;
- хранения - базы данных, серверы;
В результате декомпозиции выделяются задачи и аналогичные информационные работы для стадий ТП. Корневой вершине оставляют задачи координации стадий, управления (планирования), хранения информации. Количество вершин этого уровня
определяется количеством стадий ТП. Если стадия одна, то необходимость в вершинах (технических средств) отпадает и уровень стадий совпадает с уровнем ТП.
Далее реализуется декомпозиция задач и информационных работ на уровне стадий для оборудования этих стадий. Для вершин предыдущего уровня оставляют задачи координации, управления (планирования), хранения информации. Количество вершин уровня оборудования определяется количеством оборудования (установок). Если оборудование для реализации стадии одно, то вершины стадии и оборудования можно объединить в одну вершину.
Аналогично реализуется декомпозиция задач и информационных работ на уровне оборудования стадий для блоков оборудования. Для вершин предыдущего уровня оставляют задачи координации, управления (оперативное), хранения информации. Вершины этого уровня реализуют:
- преобразование формы представления информации по каждому каналу;
- получение новой информации (обработка) по каждому каналу.
Максимальное количество вершин уровня блоков каналов оборудования определяется числом каналов и это число задано г = 1 § .
Блоки оборудования каналов
Рис. 2. Архитектура оборудования технологического процесса
Для реализации задач и информационных работ на уровне каналов оборудования необходимо реализовать следующие информационные работы:
- получение информации (датчики, устройства сигнализации, устройства защиты);
- преобразование информации в управляющие воздействия (исполнительные механизмы и другие преобразователи).
Технические средства для реализации этих информационных работ - вершины 0-го уровня графа. Множество этих вершин конечно и зависит от свойств канала, т.е.Хк 0={хкг0}, где к - номер альтернативы; г = 1,§ ; 0-нулевой уровень.
Заметим, что в формировании обобщённой модели организационной структуры ТС АСУ ТП могут быть дополнительно заданы:
- отношения вершин 1-го уровня не только с вершинами 1+1 уровня, но и дополнительно с вершинами других уровней, исключая 1+1 уровень;
- отношения между вершинами одного уровня, отношения в общем случае могут быть «один со всеми вершинами этого уровня» (рис. 1).
В результате подхода «сверху» с учётом задания дополнительных отношений получаем базовую модель организационной структуры ТС АСУ ТП.
При подходе «снизу» вершины (а значит и технические средства) 0-го уровня определяются из содержания работ канального уровня. Это средства для:
- получение информации (датчики, устройства сигнализации, устройства защиты);
- преобразование информации в управляющие воздействия (исполнительные механизмы и другие преобразователи).
В соответствии с сущностью подхода «снизу» необходимо наличие бинарных отношений канальных вершин (элементов) 0-уровня с вершиной 1-го уровня. Другими словами вводим элемент нового (1- го) уровня, который должен реализовывать в общем случае следующие информационные работы по отношению к каналу (композиция):
- преобразование формы - нормирующие преобразователи и средства отображения информации;
- передачи - устройства приёма и передачи, коммутации, каналы связи;
- получение новой информации (обработка) - контроллеры, ЭВМ;
- хранения - базы данных, серверы (необязательно).
В результате получаем конечное множество вершин блоков канального (1-го) уровня.
Вершины уровней оборудования, стадий, ТП формируются из необходимости реализации работ по координации работ вершин предыдущих уровней соответственно.
В результате подхода «снизу» с учётом задания дополнительных отношений, которые мы рассматривали при подходе «сверху», получаем базовую обобщённую модель организационной структуры ТС АСУ ТП.
Объединяя вершины уровней обобщённой модели, кроме 0-го и корневого, по определённым признакам (количеству, назначению и т.д.) и вводя или запрещая связи между вершинами различных уровней, получаем различные виды конфигураций организационных структур.
Методика формирования иерархических структур технических средств АСУ ТП
1. Провести анализ процессов формирования информации по оценки состояния, управления и защиты ТП.
2. Сформировать обобщённый граф.
Сверху
2.1в. Сформировать уровни обобщённого графа в соответствии с элементами оборудования ТП (рис. 2).
2.2в. Определить максимально возможное количество вершин каждого уровня. Каждая вершина каждого уровня - техническая реализация каких-либо подфункций. Максимальное количество вершин уровней ТП, стадий ТП, оборудования стадий, каналов (нулевой уровень) определяется содержанием ТП и задано. Максимальное количество вершин уровня блоков оборудования каналов равно количеству вершин нулевого уровня.
2.3в. Ввести отношения взаимодействия между вершинами разных уровней, учитывая отношения принадлежности (включения) между элементами.
2.4в. Ввести отношения взаимодействия между вершинами каждого уровня по правилу «один со всеми вершинами этого уровня», кроме вершин нулевого и верхнего уровней.
Снизу
2.1н. Выделить в процессах формирования информации по оценки состояния, управления и защиты ТП элементы, реализующие:
- получение информации (датчики, устройства сигнализации, устройства защиты);
- преобразование информации в управляющие воздействия (исполнительные механизмы и другие преобразователи). Эти элементы будут вершинами нулевого уровня обобщённого иерархического графа
2.2н. Сформировать уровень вершин уровня блоков оборудования каналов, соответствующих вершинами нулевого уровня. Используя отношения принадлежности и необходимость координации, установить отношения взаимодействия этих вершинами с вершинами нулевого уровня
2.3н. Сформировать последовательно максимальное количество вершин уровней оборудования, оборудования стадий, оборудования ТП. Используя отношения принадлежности и необходимость координации, установить отношения взаимодействия между вершинами соседних уровней.
2.4н. Ввести отношения взаимодействия между вершинами каждого уровня по правилу «один со всеми вершинами этого уровня», кроме вершин нулевого и верхнего уровней.
3. Реализовать трансформацию обобщённого графа, полученного в п.2.1в-.2.4в или 2.1н-2.4н, путём объединения вершины и уровней, кроме 0-го и корневого, по определённым признакам (количеству, назначению и т.д.) и введения или запрета связей между вершинами одного и различных уровней.
Заключение. При формировании организационной структуры технических средств АСУ ТП для структуризации функций предлагается использовать признак различных видов информационных работ в управлении технологическим процессом.
Формирование элементов базовой обобщённой конфигурации организационной структуры технических средств определяется структуризацией работ информационных процессов.
Предлагается формирование альтернатив осуществить в два этапа. На первом этапе формируется обобщённый направленный граф. При структуризации «сверху» и «снизу предлагается использовать признак принадлежности функции (как вида деятельности) к элементам ТП. Структуризацию «снизу» предлагается базировать на необходимости введения элементов вышележащих уровней, которые с элементами нижележащих уровней реализуют работы для выполнения главной функции от уровня к уровню. К этим работам рекомендуется относить различные работы по преобразованию информации (в том числе и получение управленческой информации) и работы по координации.
На втором этапе формирование множества конфигураций реализуется трансформация обобщённого графа путём объединения вершины уровней, кроме 0-го и корневого, по определённым признакам (количеству, назначению и т.д.) и введения или запрета связей между вершинами одного и различных уровней.
ЛИТЕРАТУРА
1. Макаров И.М.Теория выбора и принятия решений / И.М. Макаров, Т.М. Виноградская, А.А. Рубчинский, В.Б. Соколов. М.: Наука, 1982, 328 с.
2. Левин М.Ш. Проектирование и перепроектирование конфигурации оборудования коммуникационной сети/М.Ш. Левин, А.В. Сафонов // Информационные технологии и вычислительные системы. 2006, № 4. С. 63-73.
3. Сафронов В.В. Методы оптимизации структур сложных систем / В.В. Сафронов. Саратов: СВВКИУ РВ, 1993, 94 с.
4. Зыков А.А. Основы теории графов / А. А. Зыков. М.: Наука, 1987. 384 с.
5. Структура управления организацией и факторы, её определяющие [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://de.ifmo.ru/bk_netra/page.php?dir=2&tutindex=3&index=51 &layer=2
6. Созинов В.А. Исследование систем управления. Сайт цифровых учебно-методических материалов ВГУЭС // abc.vvsu.ru, [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://abc.vvsu.ru/Books/ is-sled_sist_upr/ default.asp
7. Краткий каталог продукции. Прософт 8.0. М.: ProSoft, 2002,-271 с.
8. Божко А.Н. Структурный синтез на элементах с ограниченной сочетаемостью / А.Н. Божко, А.Ч. Толпаров. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.techno.edu.ru:16001/db/msg/ 13845.html
Великанов Андрей Михайлович - Andrey M. Velikanov -
студент Undergraduate
Саратовского государственного технического Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Тырин Евгений Александрович - Evgeny A. Tyrin -
студент Undergraduate
Саратовского государственного технического Gagarin Saratov State Technical University
университета имени Гагарина Ю.А.
Чуркин Геннадий Максимович - Gennady M. Churkin -
доцент кафедры «Техническая кибернетика Associate Professor
и информатика» Саратовского государственного Department of Technical Cybernetics
технического университета имени Гагарина Ю.А. and Informatics,
Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 15.09.13, принята к опубликованию 20.02.13
УДК [001.891.57:519.711]:681.5.01
