Научная статья на тему 'Метод и язык моделирования интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами'

Метод и язык моделирования интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
708
118
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ / КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / МНОГОУРОВНЕВАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ / ГРАФИЧЕСКИЙ ЯЗЫК / СЛОЖНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Дмитриев В. М., Ганджа Т. В.

Описывается метод многоуровневого компьютерного моделирования, который включает в себя графический язык формирования многоуровневых компьютерных моделей интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами предприятий нефтегазовой промышленности. На основе метода создается программно-алгоритмических комплекс, позволяющий формировать многоуровневые компьютерные модели интеллектуальных систем управления, состоящие из трех взаимосвязанных уровней: визуального, логического и объектного. Они предназначены для управления технологическим оборудованием предприятий нефтегазовой промышленности. Формирование многоуровневых моделей осуществляется графически с помощью языка многоуровневого компьютерного моделирования. Являясь метаязыком, он включает в себя три подъязыка: язык моделирования сложных технологических объектов; язык моделирования алгоритмических конструкций и язык построения виртуальных инструментов и приборов. Язык моделирования сложных технологических объектов предназначен для формирования моделей объектов, допускающих декомпозицию на компоненты, по связям межу которыми протекают мультифизические энергетические и многокомпонентные вещественные потоки. На их основе автоматически формируется вычислительная модель с неоднородными векторными связями в формате метода компонентных цепей, которая подвергается анализу универсальным вычислительным ядром. С помощью графических нотаций языка моделирования алгоритмических конструкций формируются алгоритмы интеллектуального управления, работа которых основана на многократном анализе компьютерной модели объекта управления при различных значениях его параметров и управляющих воздействий. С его помощью находятся экологические безопасные и экономически эффективные режимы функционирования технологического оборудования, для установки которых в реальных объектах многоуровневая компьютерная модель имеет возможность интеграции с измерительно-управляющими контроллерами. Язык виртуальных инструментов и приборов позволяет из визуальных компонентов формировать стенды визуализации и интерактивного управления, с которыми взаимодействует пользователь в процессе функционирования многоуровневой компьютерной модели.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Дмитриев В. М., Ганджа Т. В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Метод и язык моделирования интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами»

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, dmitriewvm@gmail.com

Ганджа Тарас Викторович, к.т.н., доцент кафедры Моделирования и системного анализа Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Россия, Томск,

gandgatv@gmail.com

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.