CC BY
119
1. WascherG., HaubnerH., SchumannH. An improved typology of cutting and packing problems//
European Journal of Operational Research. 2007. Vol. 183, N. 3. P. 1109-1130.
2. Оптимизационные проблемы транспортной логистики: оперативное размещение контейнеров
при транспортировке грузов / МухачеваЭ.А. [идр.] // Информационные технологии. 2008. № 7. С. 17-22.
З.Чеканин В.А., Чеканин А.В. Модель размещения объектов в задаче контейнерной ортогональной упаковки // Инновационные информационные технологии: Материалы международной научно-практической конференции. Том 3. - М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013.-С. 418-420.
4. Митрофанов В.Г., Капитанов А.В., Гришина Т.Г. Цикл выработки и обоснованность принятия
решений при управлении автоматизированным производством // Инновации. 2013. № 10(180). С. 23-27.
5. GareyM., Johnson D. Computers intractability: a guide to the theory of NP-completeness. -
San Francisco: W.H. Freeman, 1979. - 338 p.
6. Валеева А.Ф. Применение метаэвристики муравьиной колонии к задачам двумерной упаковки
// Информационные технологии. 2005. № 10. С. 36-43.
7. Чеканин А.В., Чеканин В.А. Алгоритмы эффективного решения задачи ортогональной
упаковки объектов // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2013. Т. 53. № 10. С. 1639-1648.
8. Чеканин В.А., Ковшов Е.Е. Систематизация и анализ структур данных при автоматизации
управления склада на основе генетических алгоритмов // Вестник высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2008. № 5. С. 42-51.
9. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Алгоритм решения задач ортогональной упаковки объектов на
основе мультиметодной технологии // Информационные технологии. 2013. № 7. С. 17-21.
10. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Исследование генетических методов оптимизации распределения прямоугольных ресурсов // Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции / Под ред. М.М. Радкевича и А.Н. Евграфова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - C. 798-804.
11. Crainic T.G., Perboli G., Tadei R. Extreme point-based heuristics for three-dimensional bin packing // INFORMS Journal on Computing. 2008. Vol. 20, N. 3. P. 368-384.
12. Chekanin A.V., Chekanin V.A. Improved packing representation model for the orthogonal packing problem // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 390. P. 591-595.
13. Chekanin V.A., Chekanin A.V. Multilevel linked data structure for the multidimensional orthogonal packing problem // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 598. P. 387-391.
14. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Модели конструирования ортогональной упаковки объектов // Информационные технологии и вычислительные системы. 2014. № 2. С. 37-45.
15. Лафоре Р. Объектно-ориентированное программирование в С++. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2011.-928 с.
УДК 004.942
МЕТОД И ЯЗЫК МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ
Дмитриев Вячеслав Михайлович, д.т.н., профессор, зав кафедрой Моделирования и системного анализа Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Россия,
Томск, [email protected]
Ганджа Тарас Викторович, к.т.н., доцент кафедры Моделирования и системного анализа Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Россия, Томск,
Введение
Промышленное оборудование предприятий нефтегазовой промышленности (НГП)
44
относится к классу сложных технологических объектов (СТО) [1], допускающих декомпозицию на взаимосвязанные элементы и аппараты химической промышленности, между которыми циркулируют мультифизические энергетические и многокомпонентные вещественные потоки. В настоящее время для управления такими СТО применяются автоматизированные системы управления с программным обеспечением в виде SCADA-систем, в которых функция выработки и применения управляющих воздействий, направленных на установление желаемого режима функционирования объектов, полностью возлагается на оператора. Сложность принятия управленческих решений вызвана зависимостью характеристик протекающих в СТО процессов от параметров и характеристик окружающей среды, а также их многофакторным воздействием на ее объекты. Такое взаимодействие усложняет принятие управленческих решений.
Для автоматизации этих процессов в настоящее время вводятся в эксплуатацию интеллектуальные системы управления (ИСУ). Их основным назначением является автоматизация процесса принятия управленческих решений за счет применение баз данных, баз знаний, средств автоматизации математических вычислений, компьютерного моделирования и т.п. Наибольшего эффекта в управлении СТО предприятий НГП можно добиться, интегрировав различные средства автоматизации принятия управленческих решений в единый программно-алгоритмический комплекс. Он должен позволять в графическом виде формировать модель управляемого объекта для целей ее автоматизированного анализа, алгоритм функционирования интеллектуальных систем управления (далее алгоритм интеллектуального управления), в котором задействуются базы данных параметров и характеристик реального объекта, а также осуществляется взаимодействие с реальным объектом с помощью измерительно-управляющих контроллеров. Для визуализации данных измерений и результатов моделирования такой программноалгоритмический комплекс должен обладать развитой системой виртуальных инструментов и приборов, позволяющей формировать панели визуализации интерактивного управления. Кроме того, он должен обладать развитой системой протоколирования и документирования процесса функционирования ИСУ. Интеграция таких средств может быть осуществлена только в программном комплексе, объединяющем в себе:
• средства математического моделирования СТО с протекающими в них непрерывными процессами преобразования информационных, энергетических и многокомпонентных вещественных потоков;
• возможности имитационного моделирования дискретно-событийных систем, к классу которых относятся алгоритмы интеллектуального управления, работа которых основана на многократном анализе моделей СТО при различных значениях параметров ее компонентов;
• компоненты визуализации и интерактивного управления параметрами модели и управляющими воздействиями на реальные объекты управления.
1. Основные положения метода многоуровневого компьютерного моделирования
Для реализации ИСУ СТО предприятий НГП предложен и разработан метод многоуровневого компьютерного моделирования (метод МКМ). Согласно ему ИСУ СТО представляется в виде многоуровневой компьютерной модели (КМ), расположенной на трех взаимосвязанных уровнях. Под уровнем представления модели (уровнем моделирования) понимается степень абстракции, способ представления и обработки информации об исследуемом СТО, его моделях, методах обработки данных, средствах визуализации промежуточных и итоговых результатов.
Многоуровневая КМ, предназначенная для формирования ИСУ СТО, представляется следующими взаимосвязанными уровнями (рис. 1):
45
• объектным уровнем (O _ L), включающем в себя КМ СТО и реальный СТО,
подлежащий интеллектуальному управлению;
• логическим уровнем (L _ L), на котором отображается имитационная модель алгоритма функционирования СТО в виде алгоритмической КЦ;
• визуальным уровнем (V _ L) отображения информации о текущих результатах
выполнения различных шагов алгоритма ИУ. Он реализует панель визуализации и интерактивного управления в виде совокупность визуальных компонентов, включающей компоненты-визуализаторы и управляющие компоненты.
Управляющие воздействия на СТО (параметры исполнительных устройств) Р0 R
Результаты
моделирования
Vqm
Рис. 1 - Структура многоуровневой компьютерной модели
Межуровневые взаимодействия реализуются за счет передачи: результатов
моделирования VO M и измерения VO R с объектного на логический уровень многоуровневой
КМ ИСУ СТО; данных, подлежащих визуализации, VL с логического уровня на визуальный; значений команд управления Cl с визуального уровня на логический; управляющих воздействий PO R и параметров компьютерной модели СТО PO M с логического на
объектный уровень. Получаемые на различных этапах работы многоуровневой КМ ИСУ СТО результаты с помощью компонентов множества KD могут быть переданы в систему документирования [4].
Методологической основой МКМ является метод компонентных цепей (МКЦ) [2], основными понятиями которого является понятие компонента, как неделимого элемента рассматриваемого объекта или системы, обладающего связями с другими элементами, и компонентной цепи (КЦ), представляющей собой совокупность взаимосвязанных компонентов, каждому из которых ставится в соответствие определенная математическая модель. Формирование КЦ исследуемого объекта, состоящей из компонентов, осуществляется на основе его компьютерной модели (КМ), сформированной в графическом редакторе путем нанесения компонентов и организации связей между ними. Компонентная цепь, являясь вычислительной моделью исследуемого объекта или системы, передается
46
универсальному вычислительному ядру [3], где производится ее анализ в статическом или динамическом режиме во временной или частотной области.
2. Метаязык многоуровневого компьютерного моделирования
Формирование многоуровневой КМ ИСУ СТО в формате метода многоуровневого компьютерного моделирования осуществляется пользователем графически на метаязыке многоуровневого компьютерного моделирования, который объединяет в себе три языка, являющиеся его подъязыками:
1. язык моделирования сложных технологических объектов (язык СТО), позволяющий на объектном уровне МКМ ИСУ СТО представить компьютерную модель СТО в графическом виде;
2. язык моделирования алгоритмических конструкций (язык МАК), являющийся расширением языка моделирования математических выражений, позволяющим формировать принадлежащие алгоритмическому уровню МКМ ИСУ СТО модели алгоритмов интеллектуального управления;
3. язык построения виртуальных инструментов и приборов (язык ВИП), предназначенный для формирования и функционирования виртуальных инструментов и приборов (ВИП), к числу которых относятся панели визуализации и интерактивного управления ИСУ СТО.
Формально язык МКМ представлен в виде объединения перечисленных языков:
ЯзыкМКМ = (Язык СТО)и(ЯзыкМАК)U(Язык ВИП) (1)
Для формирования многоуровневой КМ ИСУ СТО в графическом виде в среду МКМ включен многослойный редактор, на каждом слое которого отображается соответствующий уровень многоуровневой модели.
2.1. Язык моделирования СТО
Язык СТО позволяет представить модель СТО предприятий НГП в виде компонентной
цепи
СCTO (KCTO , BCTO , NCTO )
(2)
где KCTO - множество компонентов СТО, в которых наблюдается преобразование информационных сигналов, мультифизических потоков энергии и многокомпонентных вещественных потоков; BCTO - множество связей компонентов множества KCTO, предназначенных для обмена компонентами информационными, энергетическими и вещественными потоками; NCTO - множество узлов КЦ, образованных соединениями
компонентов.
Множество KCTO включает в себя:
• компоненты-источники информационного сигнала, источников энергии (источников потенциала, источников разности потенциалов, источников потока) и источников вещества (вещественного потока);
• компоненты-преобразователи информации, энергии и многокомпонентных смесей веществ;
• компоненты-измерители потенциальной переменной, потоковой переменной и относительной разницы потенциальных переменных.
Для целей анализа СТО с неоднородными векторными связями [5], к классу которых относятся технологические объекты предприятий НГП, используется универсальное вычислительное ядро. Для целей построения КЦ объектов данного класса разработан интерпретатор компьютерных моделей СТО в формат МКЦ, который каждую неоднородную векторную связь представляет совокупностью энергетических и информационных связей.
47
При этом каждой энергетической связи ставится в соответствие пара топологических координат - узел щ и ветвь bj с потенциальной Vnj и потоковой Vbj переменными. Информационной связи соответствует пара топологических координат - узел щ и ветвь bj с одной потенциальной Vnj. Сформированная цепь передается универсальному
вычислительному ядру [4], осуществляющему ее анализ в соответствии с заданным видом анализа.
2.2. Язык моделирования алгоритмических конструкций
С помощью графических нотаций языка МАК на логическом уровне многоуровневой КМ ИСУ СТО формируется математико-алгоритмическая модель алгоритма ИУ, состоящая из нескольких алгоритмических КЦ вида
CA, = (KA, вл, Na , М), (3)
где Кл - множество алгоритмических компонентов, реализующих основные математические и алгоритмические операции; Вл - множество связей компонентов множества Кл; Na -множество узлов, образованных соединением связей компонентов множества Кл; М -множество передаваемых по связям сообщений с данными, полученными путем выполнения записанной в явном виде математико-алгоритмической модели компонента множества Кл
Y = Fa (Рл, X), (4)
где Рл - параметры компонента множества Кл ; X - входные данные компонента множества Кл ; Y - результат работы компонента.
Каждый компонент множества Кл представляется совокупностью множеств
Кл = (PA, b, n, M), (5)
где Рл - набор параметров компонента, не зависящих от принимаемых в сообщениях
данных; b - массив номеров ветвей компонента; n - массив номеров полюсов компонента; М - массив сообщений, размер которого соответствует количеству ветвей компонента.
Каждое сообщение множества M предназначено для передачи информации различных типов данных между компонентами алгоритмической КЦ (3) и представляется в виде
М = (D, T, В, N) (6)
где D - данные любого типа, передаваемые в сообщении М между компонентами; T - тип данных, передаваемых в сообщении; В - номер ветви в ГКБ цепи Сл (3), с которой
передается сообщение М узлу N; N - номер узла, заданный в ГБК цепи, которому передается сообщение.
Процесс формирования и отправки компонентом сообщения производится в ряде случаев, которые далее называются срабатыванием компонента. Срабатывать определенный компонент множества Кл (4) может в следующих случаях:
• во время запуска или остановки работы многоуровневой компьютерной модели ИСУ СТО;
• в начале и по окончании очередной итерации анализа модели СТО во время решения задач их исследования и проектирования алгоритмов ИУ СТО;
• при поступлении сообщения хотя бы на один из его входов от других компонентов алгоритмической КЦ Сл (3);
• когда компонент получил сообщения с данными на каждый из своих входов;
• если произошло взаимодействие с визуальным образом компонента, предназначенного для визуализации результатов эксперимента, интерактивного
48
управления параметрами КМ СТО или изменения значений управляющих воздействий на реальный объект.
Программно-алгоритмическая реализация каждого компонента множества KA (4) в
общем случае включает в себя функции приема, преобразования и отправления сообщений вида M (7).
2.3. Язык построение виртуальных инструментов и приборов
Согласно языку ВИП виртуальным прибором (ВП) является оконный интерфейс, имитирующий на компьютере логику работы реального прибора и предназначенный для генерации сигналов на реальный СТО или его КМ, а также для отображения данных измерения сигналов и результатов анализа модели. Для построения ВП применена структура многоуровневой КМ ИСУ СТО. В этом случае:
• визуальный уровень содержит лицевую панель ВП, состоящую из компонентов отображения данных в понятном пользователю виде и органов интерактивного управления параметрами и характеристиками прибора;
• на логическом уровне находится алгоритм функционирования прибора, представляющий собой одну или несколько взаимно не связанных между собой алгоритмических КЦ (4);
• объектный уровень представляет собой интерфейс взаимодействия ВП с исследуемым СТО и (или) его компьютерной моделью.
Множество компонентов визуального уровня, называемых далее визуальными компонентами и предназначенных для формирования лицевых панелей ВП и панелей визуализации и интерактивного управления ИСУ СТО, включает в себя компоненты следующих множеств
KV = (KV1 U KV2 U KV3 U KV4 ) (7)
где KV1 - множество компонентов-визуализаторов статической информации,
предназначенных ее для представления на панелях ВИП с целью повышения их информативности (рис. 3, а); KV2 - множество компонентов-визуализаторов результатов измерения и моделирования, принимаемых с логического уровня КМ ИСУ СТО (рис. 3,б); KV3 - множество управляющих компонентов, позволяющих пользователю вводить данные
числовых и нечисловых типов, передаваемые с визуального уровня на логический для их использования в алгоритмах ИУ (рис. 3, в).
С помощью визуальных компонентов, принадлежащих визуальному уровню моделирования и отображаемых на визуальном и логическом слое редактора, осуществляется взаимодействие визуального и логического уровней многоуровневой КМ ИСУ СТО.
Заключение
Язык многоуровневого компьютерного моделирования предназначен для формирования в графическом виде многоуровневых компьютерных моделей интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами предприятий нефтегазовой промышленности. Являясь метаязыком, он включает в себя язык СТО, позволяющий формировать модели сложных технологических объектов с неоднородными векторными связями, язык моделирования алгоритмических конструкций, предназначенный для формирования алгоритмов функционирования систем интеллектуального управления, и язык визуальных инструментов и приборов, позволяющий синтезировать панели визуализации и интерактивного управления.
49
Лицевая панель ВП
Интерфейс взаимодействия ВП с исследуемым СТО или с моделью
Многоуровневая КМ ИСУ СТО
Визуальный уровень
Логический уровень
С7 Объектный уровень
Алгоритм
функционирования
ВП
Рис. 2 - Многоуровневое представление виртуального прибора
а) б) в)
Рис. 3 - Визуальные компоненты
а) визуализаторы статической информации; б) компоненты-визуализаторы результатов моделирования и измерения; в) управляющие компоненты
Литература
1. Ганджа Т.В. Формализованное представление технически сложного объекта с компьютерной моделью в контуре управления // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2012.-№ 2.-С. 29-35.
2. Дмитриев В.М. Автоматизация моделирования промышленных роботов / В.М. Дмитриев, Л.А. Арайс, А.В. Шутенков. - М.: Машиностроение, 1995. - 304 с.
3. Дмитриев В.М. Архитектура универсального вычислительного ядра для реализации виртуальных лабораторий/ В.М. Дмитриев, А.В. Шутенков, Т.В. Ганджа// Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2004. - № 2. - С. 24-28.
4. Ганджа Т.В. Задачи и архитектура подсистемы документирования исследований в среде многоуровневого моделирования МАРС/ Т.В. Ганджа, С.А. Панов// Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2011.-2 (24). - Ч. 2.-С. 334-338.
5. Дмитриев В.М. Принципы построения моделей сложных технологических объектов с неоднородными векторными связями/ В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, С.К. Важенин// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. - № 1. - С. 104-111.
50
