CC BY
22
УДК 621.398
ИНТЕГРАЦИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭНЕРГООБЪЕКТОВ
Ю.М.Устинов1
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены основные понятия и проблемы системной интеграции средств проектирования и эксплуатации энергообъектов. Предложен объектно-ориентированный онтологический подход для организации системной интеграции и вариант его реализации. Проведен анализ задач, которые появляются при использовании данного подхода, и предложены варианты их решения. Описаны экспериментальные наработки, использующие объектно-ориентированный онтологический подход. Ил. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: онтология; корпоративная информационная система; объектно-ориентированный подход; система управления базами данных; энергообъекты.
INTEGRATION OF AUTOMATION FACILITIES FOR DESIGNING AND OPERATION OF POWER PLANTS Yu. M. Ustinov
National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article deals with the basic concepts and problems of system integration of facilities for designing and operation of power plants. The author proposes an object-oriented ontological approach to the organization of systemic integration and an option for its implementation. He provides the analysis of the tasks involved in using this approach and their solution options. The article describes the experimental developments that use the object-oriented ontological approach. 2 figure. 5 sources.
Key words: ontology; corporate information system; object-oriented approach; database control system; power plants.
Введение. Системная интеграция - это разработка комплексных решений по автоматизации технологических и бизнес-процессов предприятия. Её конечная цель - максимально эффективное управление технологическим процессом, производством, организацией в целом. В системной интеграции выделяются такие составляющие, как: структурированная кабельная система (СКС), программные и аппаратные комплексы систем планирования ресурсов предприятия, управления взаимодействия с клиентами, SCADA-системы, системы АСУ ТП и проч. Фирмы, производящие работы по системной интеграции этих компонентов, называются системными интеграторами. В большей мере для российского рынка системной интеграции свойственно внедрение системными интеграторами уже готовых решений, лишь в некоторых случаях интеграторы разрабатывают свои уникальные программные и аппаратные комплексы [1].
Программное обеспечение (ПО), используемое системными интеграторами для создания корпоративной информационной системы (КИС), как правило, коммерческое и представляет собой платформу для разработки прикладных программ, например, «1С:Предприятие» фирмы 1С или «SAP R/3» фирмы SAP. Основная направленность данного программного обеспечения - повышение эффективности организационных процессов: консолидация данных, документооборот, логистика, взаимодействие с клиентами, поставщиками и проч. Разрабатываемое ПО постоян-
но развивается и модифицируется, добавляются новые модули и компоненты. Это связано с тем, что компания-клиент сама находится в постоянном развитии, развиваются технологии построения программного обеспечения, процесс доработки программного продукта нескончаем. В связи с непрерывностью и итеративностью данного процесса возникают проблемы расширяемости системы, когда добавление новых подразделений предприятия или переход на новый метод управления заставляют модифицировать всю КИС целиком или её значительную часть. Поэтому системными интеграторами было введено понятие "единых основных данных" [2]. Понятие единых основных данных подразумевает собой, что данные всех подразделений приводятся к общему виду и синхро-низированно обрабатываются. Для хранения данных эти системы используют внешние реляционные системы управления базами данных (РСУБД). Чтобы оперировать данными, корпоративное ПО интеграторов предоставляет разработчикам прикладных программных пакетов различные простые для использования специализированные языки программирования или даже интуитивные интерфейсы. По сути, все эти программные системы представляют собой пакеты инструментальных средств, которые берут на себя основные системные функции: взаимодействие с СУБД, построение пользовательского интерфейса, организацию взаимодействия модулей системы и т.д. А прикладную часть уже разрабатывают квалифици-
1Устинов Юрий Михайлович, аспирант, тел.: 89016524343, e-mail: ustinovum@mail.ru Ustinov Yuri, Postgraduate Student, tel.: 89016524343, e-mail: ustinovum@mail.ru
рованные программисты для конкретных компаний.
Проблемы интеграции систем автоматизации проектирования и эксплуатации в корпоративную информационную систему (КИС). К программным средствам проектирования энергообъектов следует относить САПР и офисные программные средства, участвующие в процессе проектирования, а к программным средствам эксплуатации - БСАйА и информационные системы (ИС) для работы с персоналом, бухгалтерией и прочими элементами инфраструктуры энергообъекта. Существующие системы автоматизации проектирования энергообъектов не интегрированы с системами автоматизации их эксплуатации. Даже самые развитые САПР в области проектирования энергообъектов, как Ер1ап и ЕЗ.БепеБ, не связаны со БСАйА системами и ИС и не имеют механизмов для их будущей интеграции. Вместе с тем, интеграция средств проектирования и эксплуатации в единую КИС позволила бы более эффективно модифицировать элементы энергообъекта, управлять ими и производить анализ работы для дальнейшей оптимизации и повышения эффективности энергообъекта в целом за счёт единства общих данных, централизованного управления данными.
Примером более эффективной модификации объекта может служить реконструкция какого-то его элемента, например, реконструкция анионитового фильтра химического цеха ТЭЦ. Механизмы развитой единой КИС, сочетающей в себе и средства проектирования, и средства эксплуатации, могут позволить сформировать на стадии технического задания набор объектов, которые подлежат добавлению в систему (насосы, задвижки и прочее оборудование) либо замене более совершенным классом. Данный набор будет доступен на стадии проектирования и программирования БСАйА, а следовательно, будет сэкономлено время на передачу данных проектировщикам и программистам и ввод их в САПР и БСАйА, поскольку это произойдёт автоматически. Если добавить элементы при проектировании проекта АСУ ТП, они смогут быть доступными в БСАйА также автоматически. На рис. 1 показан упрощённый алгоритм разработки и реализации АСУ ТП (этапы, выделенные редким пунктиром в случае использования развитой КИС, выполняются автоматически).
Интеграция систем автоматизации проектирования и эксплуатации энергообъектов крайне необходима, но платформа этой интеграции должна быть максимально приспособлена для дальнейшего расширения и модификаций, а также обеспечения возможности создания на её базе корпоративной интеллектуальной системы поддержки принятия решений (КИСППР). Создание КИСППР позволило бы не просто экономить значительные денежные средства за счёт сокращения ошибок со стороны управляющего персонала, проектировщиков, сметчиков и проч. (которые в большей степени происходят по причине человеческого фактора), проводить анализ и исследования энергообъектов в комплексе, но и сохранять знания и опыт специалистов. А это сделает энергосистему более стойкой к уходу высококвалифицированных кад-
ров и повысит эффективность обучения персонала любой категории. На рис. 2 показан упрощённый алгоритм разработки и реализации АСУ ТП в случае использования развитой КИС, включающей средства проектирования, эксплуатации и КИСППР (этапы, которые связаны с системой поддержки принятия решения, выделены частым пунктиром).
( Постановка Л
задачи }
Раз работка технического задания
1ередача исходных данных ш ТЗ
1
Г
^проектировщикам^
|Ввод исходны*"! [ Ввод исхрдньиП данных в САПР |дашых в ЗСАЬА
| Проецирование | |""разработкаПО**|
Закупка обору;
Моитзж оборудования/ строительство
/
/
\
V Есть
^Ьявипись новь« элементы при ^
\ проецирован ни 4 /
| Пуско-н аладка |
1 г
Опытная эксплуатация
Рис. 1
Объектно-ориентированные системы управления базами данных (ООСУБД) и реляционные системы управления базами данных (РСУБД) для реализации онтологического подхода. Поскольку средства проектирования и эксплуатации энергообъектов оперируют сущностями реального мира, которые являются общими для всех подразделений энергообъекта (задвижка является общей сущностью и для наладчиков котла, и для работников сметного отдела) и входят в определённые онтологии, то информационное пространство должно быть построено на базе онтологий. Онтология - пространство формализованных понятий какой-то отдельно взятой предметной области или даже всех вместе взятых областей, выраженное в виде концептуальной схемы. Поскольку
при проектировании и эксплуатации энергообъектов требуется максимальная точность и определённость, то онтология должна быть чёткой.
С Постановка Л задачи ^J
Разработка технич&сконо зэданин
Найдены
■ TlûUCK QtUMËDK
КИСППР —Не найдены
1 Проектирована I
Eli-Ь
'и 4
НйВЫЁ
решения
* * * — — * v ч
Сохранение
знании
¡iipneKl ИрОвЩИНОС |
■Ti
■ Нет
Разработка ПО
]
Закупка оборудования
2ч
Новые ** решения г*
Нот
Ьггь
Монтаж оборудования/ строительство
ф*' Новые
Сохранена { значив | программист&э i
'С „-
1
Нет
Есть
.....
Сохранение знаний
Опытная эксплуатация
Рис. 2
Чёткая онтология Ont есть пара < E, C >, где E (entities) - множество сущностей, C (conceptions) -множество однозначных понятий этих сущностей в рамках данной онтологии. Стоит отметить, что под сущностями подразумеваются не только физические объекты, но и явления, абстракции, например, сущностью может быть марка диода, конкретный банковский счёт и явление грозы. Сущность в данном контексте есть любое проявление реального и абстрактного ми-
ра, а понятие сущности - это определение признаков сущности при помощи фактов и аксиом поведения, которое чётко отличает эту сущность от других. Также онтология может являться множеством подонтологий, например, математика включает в себя математический анализ, геометрию, теорию вероятностей и т.д., которые, в свою очередь, тоже могут состоять из множества других подонтологий. Таким образом, онтологию можно представить в виде графа, где подонтоло-гии - вершины этого графа, а отношения между ними - его рёбра.
Процесс слияния чётких онтологий в одну приводит к расширению множества сущностей, но в большей степени к расширению множества понятий. Примером расширения множества сущностей может служить слияние значительно различающихся онтологий, например, онтология теплоэнергетики не обладает сущностью менеджер-маркетолог или товар, которые существуют в онтологии маркетинга. После этого слияния многие сущности теплоэнергетики приобретут новые понятия. Например, вырабатываемая мощность станет товаром, ТЭЦ станет принадлежать фирме, которая будет производителем и потребителем товаров.
Существует несколько способов данных в ЭВМ. Самым распространённым на сегодняшний день является использование реляционных СУБД. Это же можно отнести и к представлению онтологий. Системные интеграторы представляют их с использованием объектно-ориентированного подхода на базе реляционных СУБД. Однако это создаёт множество затрат на этапе разработки системы и её доработки, а как было написано выше, доработка ПО - процесс нескончаемый. Затраты связаны с тем, что при проектировании и реализации РСУБД имеют низкую способность отражать объекты реального мира в объектно-ориентированной парадигме [3]. В случае назначения одному классу объектов одного отношения появляется проблема, связанная с тем, что класс имеет родителей, у которых могут добавиться новые атрибуты и это придётся учитывать в каких-то дополнительных механизмах системы, в конечном итоге язык регулярных запросов будет неэффективен при построении запросов к системе и потребуются какие-то нововведения, что так или иначе превратит систему, построенную на базе РСУБД, в ООСУБД.
Поэтому автор предлагает использовать ООСУБД для построения КИС и интеграции средств проектирования и эксплуатации энергообъектов. Это позволит не только создать очень простую и удобную для системной интеграции платформу, но и реализовать КИСППР, поскольку ООСУБД походит для фреймового представления знаний. В качестве ООСУБД автор предлагает использовать Caché фирмы InterSystems Corp.
Реализация онтологического подхода с использованием СУБД Caché. Уникальное качество Caché заключается в равноправной и эффективной поддержке сразу трех способов работы с данными: объектного, реляционного SQL-доступа, прямого доступа к многомерным данным. Объектный доступ к
данным обеспечивает быстрое и реалистичное моделирование сложных структур данных, полную поддержку OO-методов проектирования и разработки, включая инкапсуляцию, множественное наследование, полиморфизм, реализацию встраиваемых объектов, ссылок, коллекций, отношений, БЮБ'ов, быструю разработку приложений, высокое быстродействие, масштабируемость. SQL-доступ к данным позволяет получить доступ к данным в виде традиционного реляционного представления, использовать JDBC/ODBC, значительно повысить быстродействие имеющихся приложений, использовать привычный SQL-инструментарий для запросов, построения отчетности и аналитики. Прямой доступ к многомерным данным обеспечивает высочайшую производительность на критичных участках кода, возможность поддержки унаследованных приложений.
Caché позволяет воплотить онтологический подход, используя пакеты как онтологии, классы как сущности-типы, экземпляры как сущности-экземпляры, атрибуты как факты о сущностях и методы как сценарии их поведения. Пакеты - это хранилища для классов, и полное имя класса выглядит как <имя паке-та>...<имя вложенного пакета>...<имя класса>. Например, имя класса MaterialPoint в пакете Kinematics, который находится в пакете Mechanics, расположенном в пакете Physics, будет именоваться как Physics. Mechanics. Kinematics.MaterialPoint. А два атрибута класса MaterialPoint: Mass и Coordinates будут связаны с другими классами из других пакетов, что соответствует действительности, поскольку материальная точка обладает всего двумя явными атрибутами: массой из онтологии физических величин и координатами из онтологии аналитической геометрии.
Проблема классификации. Одной из основных проблем, которая встаёт при построении онтологического подхода в КИС - это проблема классификации. Классификация - процесс группировки объектов исследования или наблюдения в соответствии с их общими признаками. В результате разработанной классификации создаётся классифицированная система. Проблема классификации связана с особенностями человеческой психики, поскольку классификация зависит от субъективного восприятия общности призна-
ков и заключается в том, что одну и ту же сущность можно отнести к разным классам. Так, например, трубопроводная арматура делится на запорную, регулирующую, предохранительную [4] и т.д. В запорную арматуру входят клапаны, а в предохранительную -предохранительные клапаны, и получается, что это два различных класса, хотя принцип действия у них одинаковый и есть много общих деталей. Однако в инженерных компаниях существует один центр классификации, поэтому данная проблема легко решаема, и если онтологические структуры будут построены не совсем корректно с точки зрения объективности, то в рамках одной компании это будет лишь договорённостью для всех подразделений. Единый центр классификации компании может координировать количество и характеристики типов сущностей, с которыми взаимодействует компания, с центром разработки КИС при помощи Unified Modeling Language (UML - унифицированный язык моделирования), который позволяет представлять информацию об отношениях сущностей в диаграммах: классов, объектов и вариантов использований. Такой подход позволяет документировать подсистему БД и программную подсистему КИС при помощи одной UML-модели и, как следствие, повышает уровень наследуемости системы. А за счёт генерации исходных кодов программы и ООБД при помощи различных CASE-сред повышается контроль системной целостности, поскольку при изменении онтологической структуры, с которой оперирует система, исходные коды обеих подсистем будут сгенерированы с учётом этих изменений [5].
На данный момент автором разработано экспериментальное ПО, которое реализует онтологический подход с использованием ООСУБД. Оно включает в себя сервер БД Caché и клиентский модуль, представляющий собой надстройку над САПР AutoCad, предназначенный для проектирования АСУ ТП. Все классы имеют общего родителя Entity (сущность) и имеют иерархию, взятую из технических справочников и ГОСТ за основу. В дальнейшем предполагается создать головной модуль КИС и модуль КИСППР и исследовать работу КИС в комплексе, с учётом всех разработанных модулей.
Библиографический список
1. URL: http://www.astera.ru/it-rating/view.php?id=16&year=2008 (дата обращения : 17.10.2010)
2. Управление основными данными SAP URL: http://www.sap.com/cis/pdf/master_data.pdf (дата обращения: 17.10.2010)
3. Копайгородский А.Н. Методы, модели и программные средства построения информационной инфраструктуры исследований в энергетике. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. 64 с.
4. Гуревич Д.Ф. Трубопроводная арматура: справочное пособие. М.: Машиностроение, 1981.
5. Устинов Ю.М. Разработка средств автоматизации проектирования АСУТП на основе объектно-ориентированных баз данных // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всероссийской научно-практ. конф. (Иркутск, 26-30 апреля 2010 г.). Иркутск, 2010.112 с.
