CC BY
44
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК: 631.674.5:504.064.36
ОБОБЩЕННАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ОРОШЕНИЕМ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ
GENERALIZED MODEL OF AUTOMATED INFORMATION SYSTEM OF MONITORING AND MANAGEMENT OF IRRIGATION IN REAL-TIME
В.В. Бородычев, академик РАН М.Н. Лытов, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент
V.V. Borodychev, M.N. Lytov
Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н. Костякова (Волгоградский филиал)
Federal state budgetary scientific institution all-Russian research Institute of hydraulic engineering
and land reclamation them. A. N. Kostyakova
Цель исследований сводилась к разработке обобщенной структурно-функциональной модели информационной системы мониторинга и оперативного управления орошением на основе технологий глобального спутникового позиционирования и препроцессингового определения области оптимальных управленческих решений. В качестве ближайшего аналога разрабатываемой информационной системы приняты геоинформационные системы реального времени. При проведении работы использовались методы эвристического анализа функций информационной системы современных объектов мелиоративного назначения, структурного моделирования процесса принятия решений в системе планового водопользования. Установлено, что главной проблемой систем реального времени является сокращение временных затрат на съем, трансляцию и обработку мониторинговой информации, а также выработку и принятие оптимальных решений. В рамках разработанной модели предложены два подхода к решению проблемы «задержек» реального времени применительно к системе мониторинга и управления орошением в режиме реального времени. В рамках первого подхода решения проблемы «задержек» реального времени предложен последовательный алгоритм обработки мониторинговой информации и принятии на ее основе управленческих решений. Отличительной особенностью этого алгоритма является организация непрерывного контроля реального времени и расчетной компенсации задержек на основе моделирования технологического процесса орошения. Другой подход в решении проблемы сокращения задержек реального времени опирается на алгоритмическую схему принятия решения «на месте». Этот подход имитирует присутствие оператора непосредственно у объекта управления, когда тот «видит» поведение объекта и непосредственно на основе этой информации принимает управляющее решение.
The aim of research was to develop a generalized structurally-functional model of information system for monitoring and operational management of irrigation based on global positioning satellite technology and pre-processing region determining optimal management decisions. As the closest analogue developed information system adopted by the real-time geographic information system. In carrying out the work were used methods of heuristic analysis functions of the information system of modern facilities ameliorative purpose, structural modeling of decision-making in the system of planning water use. It was found that the main problem of real-time systems is to reduce the time spent on rent, translation and processing of monitoring information, as well as the development and adoption of optimal solutions. In the framework of our model suggested two approaches to solving the problem of «delay» in relation to the real-time monitoring and management of irrigation system in real time. In the first approach solving the problem «delay» real-time sequential algorithm proposed monitoring information processing and decision on its basis of management decisions. A distinctive feature of this
algorithm is the organization of a continuous real-time monitoring and compensation for delays calculated on the basis of modeling of technological process of irrigation. Another approach to solving the problem of reducing the real-time delays based on algorithmic decision logic «on the spot». This approach mimics the presence of the operator directly from the control object, when he «sees» the behavior of an object and directly on the basis of this information takes the control solution.
Ключевые слова: орошение, мониторинг, управление, модель, информационная система, система реального времени.
Key words: irrigation, monitoring, control, model, information systems, real time.
Современная парадигма совершенствования гидромелиоративных систем включает широкое использование технологий оптимального управления на базе автоматизированных информационных систем и мониторинге ключевых эксплуатационных показателей [10]. Одним из наиболее перспективных направлений развития информационных технологий применительно к решению задач мониторинга и управления гидромелиоративными системами в области орошения является разработка АИС для информационного обеспечения процессов управления различными структурно-функциональными объектами в реальном масштабе времени.
Материалы и методы. Целью исследований являлась разработка обобщенной модели и структурно-функциональный анализ информационной системы мониторинга и управления орошением в режиме реального времени. Научный и практический опыт создания информационных систем, решающих возложенные на них функции в режиме реального времени, свидетельствует о необходимости учета дилеммы двух простых, но чрезвычайно важных факторов [11, 3]:
- первый постулат заключается в том, что когда приходит время принимать решение, его нельзя откладывать. Это требование является составной частью самого определения информационных систем реального времени;
- второй постулат состоит в том, что принятое решение должно быть оптимальным из некоторого множества альтернатив. Это требование определяется самим существованием информационных систем, - это, собственно, их основополагающая идея.
Объективное существование этих факторов определяют основное противоречие информационных систем реального времени, которое до настоящего времени служит главным движителем совершенствования применяемых информационно-управляющих моделей:
- с одной стороны, необходимо действовать немедленно;
- с другой стороны, столь же необходимо правильно оценить сложившуюся ситуацию, что требует определенных затрат времени.
Методологической основной исследований стали приемы эвристического анализа функций информационной системы современных объектов мелиоративного назначения, структурного моделирования процесса принятия решений в системе планового водопользования [6, 9]. Объектом исследования является информационная система непрерывного контроля выполнения функций дождевальной техникой нового поколения в режиме реального времени. Выполнение исследований проводилось с использованием элементов современной теории оптимальных и адаптивных систем, теоретических основ координатных систем земледелия, методов функционального анализа в области информационных технологий [2, 1 ].
Результаты и обсуждение. Структурная схема аппаратно-алгоритмического обеспечения автоматизированной системы управления орошением представлена на рисунке 1. Как видно из представленной на рисунке схемы, объектом управления является водный режим почвы. Оросительная техника является непосредственным объектом приложения управленческих решений, однако сама по себе является только средством
регулирования водного режима почвы. Поэтому контрольно-измерительные комплексы и системы мониторинга, работающие в режиме реального времени, должны охватывать не только ключевые функциональные показатели работы оросительной техники, но и показатели, характеризующие динамику водного режима почвы.
Рисунок 1 - Структурно-функциональная схема мониторинга и управления орошением в режиме реального времени
В самом общем случае измерительные комплексы в составе обобщенной информационной системы могут быть представлены в стационарных или мобильных вариантах. Каждый из вариантов организации измерительных комплексов имеет свои преимущества и недостатки [4, 5]. Главным преимуществом мобильных измерительных комплексов является возможность организации обслуживания довольно объемного информационного поля одного или даже нескольких объектов управления при минимальной обеспеченности средствами измерения. Недостатком такой организации мониторинга объекта является невозможность организации непрерывного контроля объекта управления.
Стационарные системы мониторинга позволяют организовать съем мониторинговой информации с любой необходимой периодичностью, а также контролировать объект управления непрерывно. Это позволяет избежать необходимости расчетного интерполирования информационных полей и сократить до минимума потребность в использовании вероятностно-интуитивного метода принятия решений в условиях неопределенности. Недо-
статком такой схемы организации измерительных комплексов является увеличение потребности в дорогостоящем оборудовании, устройствах телеметрии, предварительной обработки и промежуточного хранения информации. Кроме того, важно понимать, что стационарные системы мониторинга будут наиболее эффективны лишь в случае возможности организации непрерывной трансляции результатов измерений.
Передача данных может быть организована несколькими способами. Во -первых, для ее организации может быть использована проводная или беспроводная технология. В ряде случаев на практике выгодно комбинировать эти способы передачи данных, используя проводные технологии на небольшие расстояния с последующим использованием беспроводных технологий из точки наиболее уверенного приема радиосигнала. Во-вторых, важно дифференцировать технологии автоматизированной передачи данных по указанным выше каналам связи и способ субъективной доставки информации. Последнее подразумевает физическую доставку модуля хранения информации к операционно-вычислительному модулю, физический ввод информации с клавиатуры или других устройств ввода данных. Сюда же можно отнести архаичный способ субъективной голосовой передачи данных от объекта контроля/управления к операционно-вычислительному центру. Технологии автоматизированной передачи данных используют стандартные протоколы и не требуют участия в процессе человека. Применение таких технологий выглядит наиболее привлекательным для использования в системах реального времени, так как позволяет избежать неоправданных затрат времени на доставку информации. В связи с этим, стационарные измерительные комплексы целесообразно комплектовать исключительно автоматизированными средствами телеметрии. Мобильные измерительные комплексы в зависимости от характера мониторинговой информации и пространственно-логической модели организации информационной системы могут комплектоваться как автоматизированными средствами телеметрии, так и использовать субъективные способы переноса информации.
Еще одним важным источником первичной информации информационной системы управления орошением является непосредственный (субъективный) ввод (выбор) данных, определяющих априорно известные характеристики информационного поля. К таким данным можно отнести, например, геоинформационную основу контролируемого участка, культуры севооборотной группы, определяющие выбор модели во-допотребления, модели продукционного процесса, модели расходования ресурсов и т.д. К этим же данным относится и сетевой график задания на выполнение технологического процесса, целевые задачи, целевые функции, регламенты и другие инструкции, определяющие поставленную задачу.
Ключевым блоком информационной системы управления орошением, как и любой информационной системы, является вычислительный центр (операционно-вычислительный модуль), задачей которого является обработка первичной информации и создание информации, предназначенной непосредственно для потребления человеком -оператором системы управления орошением. Кроме того, операционно-вычислительный модуль на основе сформированных полей информации осуществляет проверку выполнения технологического процесса на соответствие поставленным задачам (регламентам, инструкциям), осуществляет выработку управленческих решений и выбор наиболее оптимальных (предпочтительных) из них.
Современный уровень развития информационных технологий позволяет размещать сформированную операционно-вычислительным модулем информацию непосред-
ственно на автоматизированном рабочем месте оператора управления (диспетчера, оператора дождевальной техники и т.д.). Другим способом доведения выработанной информации до оператора является размещение ее на сервере. В первом случае необходима организация канала связи операционно-вычислительного модуля с каждым из автоматизированных рабочих мест информационной системы. Преимуществом такой системы является исключение одного из модулей - посредников информационной системы и сокращение общего времени на обработку информации и принятие управляющего решения, что важно для систем реального времени. Недостатком такой системы является необходимость организации одновременной интерактивной связи со всеми задействованными автоматизированными рабочими местами, что возможно лишь при малых масштабах и сравнительной простоте организации системы управления. Кроме того, нужно учитывать, что при организации информационного взаимодействия модулей системы по схеме «операционно-вычислительный модуль - автоматизированное рабочее место» хранение информации осуществляется за счет ресурсов автоматизированного рабочего места. Это приводит к необходимости существенного повышения ресурсов и, соответственно, сложности автоматизированных рабочих мест, либо к отказу от хранения ретроспективной информации в целом, или в какой-то ее части.
Указанных недостатков лишены серверные информационные системы [7-8]. Сервер в такой системе полностью берет на себя функцию хранения и обмена информацией между операционно-вычислительным модулем. В общем случае, серверные системы предпочтительны для сложных информационных систем со множеством автоматизированных рабочих мест, а прямой обмен данными с автоматизированным рабочим местом, - для простых систем, преимущественно, с одним автоматизированным рабочим местом. Следует также учитывать, что сегодня и для «простых» информационных систем с одним автоматизированным рабочим местом возможна организация обмена информацией по серверной схеме на базе «общественного» сервера, взаимодействующего с несколькими или множеством «простых» информационных систем.
Одной из ключевых задач информационной системы является выработка и поддержка принятия управленческого решения. Алгоритмы операционно-вычислительного модуля должны обеспечивать выработку и определение области оптимальных решений в режиме реального времени [9]. Однако выбор оптимального управленческого решения может осуществляться как в автоматизированном, «машинном» режиме, так и субъективно, оператором управления. Выбор управленческого решения в автоматизированном режиме предпочтительнее для систем реального времени, так как не несет в себе субъективных задержек в принятии решений. В то же время «машинные» технологии принятия решений связаны с риском возникновения системных ошибок, обусловленных несовершенством используемых алгоритмов и инструкций операционно-вычислительной логики.
Выбор управленческого решения оператором в настоящее время является единственным реализуемым вариантом использования информационных систем мониторинга и управления орошением. Преимуществом такой схемы является субъективная «контролируемость» технологического процесса и субъективная возможность принятия решения в условиях неопределенности. К недостаткам такой схемы следует отнести субъективные задержки времени для принятия управленческого решения, а также возможность совершения субъективных ошибок, вероятность которых обратно пропорциональна квалификации оператора.
Принятое управляющее решение реализуется посредством выполнения управляющего действия. Сегодня объективно существуют и используются два метода реализации управляющего действия: физическое и дистанционное. В свете современной парадигмы развития гидромелиоративных систем первый из рассмотренных подходов является «прошлым», а второй - «будущим» систем управления в мелиорации. Дистан-
ционная реализация управляющих решений позволяет оператору сохранять мобильность и находиться в любом месте по отношению к объекту управления. При физической реализации управляющего действия требуется постоянное нахождение оператора в непосредственной близости от объекта управления; существенно возрастают субъективные затраты времени, что снижает эффективность систем реального времени.
Сама концепция систем реального времени предусматривает, что временная задержка между измерением контролируемых показателей, принятием и реализацией управляющего решения должна стремиться к нулю. В то же время следует учитывать объективные трудности реализации процесса мониторинга и управления орошением в режиме реального времени:
- необходимость неоднократного транслирования данных от одного из пространственно-разнесенных модулей информационной системы к другому;
- возможные сбои передачи данных в полевых условиях;
- сложность вычислительных алгоритмов, определяющих объективные задержки времени на обработку первичной информации, выработку управляющих решений, ранжирование управляющих решений по условиям оптимальности;
- субъективные задержки времени на принятие решений и реализацию управляющих действий.
Преодоление объективных трудностей реализации процесса мониторинга и управления орошением в режиме реального времени связано с необходимостью разработки специальных алгоритмов функционирования информационной системы, которые учитывали бы объективные задержки времени от момента съема мониторинговой информации до момента реализации управляющего решения. На рисунке 2 представлен один из вариантов такого рода алгоритмов. Алгоритм включает обработку первичных данных (входная информация: данные мониторинга объектов и процессов в режиме реального времени, базы данных и т.д.), определение области возможных управляющих решений, ранжирование их по степени оптимальности, выбор управляющего решения, вероятность соответствия сложившейся ситуации которого наиболее высока, процедуру взаимодействия с оператором и реализацию принятого управляющего решения. Отличительным блоком представленного алгоритма является организация непрерывного контроля реального времени в процессе выполнения всех вышеперечисленных процедур. Модуль контроля реального времени обеспечивает возможность оценки задержки реального времени на каждом этапе выполнения процедур по предложенному алгоритму. Корректировка управляющих решений с учетом фактических задержек реального времени осуществляется операционно-вычислительным модулем на основе комплексного моделирования и прогноза состояний процессов и объектов управления на среднее время задержки принятия решения.
Другой подход в решении проблемы сокращения задержек реального времени опирается на алгоритмическую схему принятия решения «на месте» (рисунок 3). Этот подход имитирует присутствие оператора непосредственно у объекта управления, когда тот «видит» поведение объекта и непосредственно на основе этой информации принимает управляющее решение.
Рисунок 2 - Общая схема организации информационной системы с контролем реального времени
Де-факто оператор сравнивает наблюдаемое поведение объекта (процесса) с интуитивной моделью поведения объекта (процесс), базирующейся на личном опыте субъекта (оператора). Применение такого подхода к вычислительным алгоритмам современных автоматизированных информационных систем ставит во главу угла необходимость моделирования реальных объектов и контролируемых процессов. При этом итогом моделирования объектов (процессов) является определение значений ряда показателей, характеризующих состояние (поведение) объекта (процесса). Результаты моделирования (определения прогнозных значений показателей) транслируются непосредственно к объекту управления. Одновременно с этим производится съем мониторинговой информации с контролируемого объекта (процесса), которая сравнивается с прогнозными значениями этих же показателей, определенных на основе используемой модели. В результате производится подбор модели состояния (ситуации) по реальным значениям мониторинговой информации. Выбранная модель состояния определяет об-
ласть оптимальных управленческих решении, которые также транслируются непосредственно к объекту управления параллельно с трансляцией прогнозных (моделируемых) значении показателей, характеризующих состояние объекта (процесса). Функция оператора при этом сводится к выбору оптимального управленческого решения из ранжированного списка, либо к возможности блокировки исполняемого действия при автоматизированном (машинном) выборе управляющего решения.
Рисунок 3 - Общая схема организации информационной системы с реализацией алгоритма принятия решений «на месте»
Выводы. Временные задержки - интервалы между измерением показателей, характеризующих состояние объекта (процесса), трансляцией и обработкой мониторинговой информации, выработкой, принятием и реализацией управляющих решений, являются главной проблемой современных информационных систем реального времени. Использование предложенных алгоритмов позволяет успешно решать эту проблему в рамках рассматриваемой модели автоматизированной информационной системы мониторинга и управления орошением в режиме реального времени. При этом наиболее уязвимыми, проблемными узлами информационной системы в целом являются организация трансляции и приема информации.
Библиографический список
1. Александров, А.Г. Оптимальные и адаптивные системы [Текст]/ А.Г. Александров. -М.: Высшая школа, 1989. - 263 с.
2. Андреев, В.К. Вопросы прикладного функционального анализа [Текст]/ В.К. Андреев. - Красноярск: КрасГУ, 2007. - 128 с.
3. Бородычев, В.В. Комплексы показателей мониторинга работы дождевальной техники в режиме реального времени [Текст] / В.В. Бородычев, М.Н. Лытов, Е.Э. Головинов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 3 (39). - С. 33-37.
4. Бородычев, В.В. Аппаратное обеспечение мониторинга работы дождевальной техники на основе технологий глобального спутникового позиционирования [Текст]/ В.В. Бородычев, Е.Э. Головинов, М.Н. Лытов // Пути повышения эффективности орошаемого земледелия. -2016. - № 2. - С. 48-52.
5. Бородычев, В.В. Геопозиционный синтез мониторинговых данных и возможности их использования в режиме реального времени [Текст]/ В.В. Бородычев, М.Н. Лытов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2016. - №1. - С. 168-177.
6. Бочкарев, В.Я. Новые технологии и средства измерений, методы организации водо-учета на оросительных системах [Текст]/ В.Я. Бочкарев - Новочеркасск: ФГБНУ «РосНИ-ИПМ», 2012. - 227 с.
7. Казаринов, Л.С. Автоматизированные информационно-управляющие системы [Текст] : учебное пособие / Л.С. Казаринов, Д.А. Шнайдер, Т.А. Барбасова. - Челябинск: Изд-во ЮУр-ГУ, 2008. - 320 с.
8. Клевцов, С.И. Анализ и формирование требований к программному обеспечению информационных систем сбора и обработки данных [Текст]/ С.И. Клевцов. - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2007. - 100 с.
9. Оптимальное управление поливами на основе современных вычислительных алгоритмов [Текст]/ В.В. Бородычев, М.Н. Лытов, А.С. Овчинников, В.С. Бочарников //Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса: наука и высшее профессиональное образование. - 2015. - № 4 (40). - С. 21-28.
10. Оросительные системы России: от поколения к поколению [Текст]: монография / В. Н. Щедрин, А. В. Колганов, С. М. Васильев, А. А. Чураев. - В 2 ч. -Новочеркасск: Геликон, 2013. - 590 с.
11. Чефранов, А.Г. Проектирование систем реального времени [Текст] / А.Г. Чефранов, Р.В. Троценко. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2005. - 226 с.
Reference
1. Aleksandrov, A. G. Optimal'nye i adaptivnye sistemy [Tekst]/ A. G. Aleksandrov. - M.: Vysshaya shkola, 1989. - 263 s.
2. Andreev, V. K. Voprosy prikladnogo funkcional'nogo analiza [Tekst]/ V. K. Andreev. -Krasnoyarsk: KrasGU, 2007. - 128 s.
3. Borodychev, V. V. Kompleksy pokazatelej monitoringa raboty dozhdeval'noj tehniki v rezhime real'nogo vremeni [Tekst] / V. V. Borodychev, M. N. Lytov, E. Je. Golovinov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -
2015. - № 3 (39). - S. 33-37.
4. Borodychev, V. V. Apparatnoe obespechenie monitoringa raboty dozhdeval'noj tehniki na os-nove tehnologij global'nogo sputnikovogo pozicionirovaniya [Tekst]/ V. V. Borodychev, E. }. Golovinov, M. N. Lytov // Puti povysheniya ]ffektivnosti oroshaemogo zemledeliya. - 2016. - № 2. - S. 48-52.
5. Borodychev, V. V. Geopozicionnyj sintez monitoringovyh dannyh i vozmozhnosti ih ispol'zovaniya v rezhime real'nogo vremeni [Tekst]/ V. V. Borodychev, M. N. Lytov // Izvestiya Nizhnevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. -
2016. - №1. - S. 168-177.
6. Bochkarev, V. Ya. Novye tehnologii i sredstva izmerenij, metody organizacii vodoucheta na orositel'nyh sistemah [Tekst]/ V. Ya. Bochkarev - Novocherkassk: FGBNU "RosNIIPM", 2012. - 227 s.
7. Kazarinov, L. S. Avtomatizirovannye informacionno-upravlyayuschie sistemy [Tekst] : uchebnoe posobie / L. S. Kazarinov, D. A. Shnajder, T. A. Barbasova. - Chelyabinsk: Izd-vo YuUr-GU, 2008. - 320 s.
8. Klevcov, S. I. Analiz i formirovanie trebovanij k programmnomu obespecheniyu infor-macionnyh sistem sbora i obrabotki dannyh [Tekst]/ S. I. Klevcov. - Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 2007. - 100 s.
9. Optimal'noe upravlenie polivami na osnove sovremennyh vychislitel'nyh algoritmov [Tekst]/ V. V. Borodychev, M. N. Lytov, A. S. Ovchinnikov, V. S. Bocharnikov //Izvestiya Nizh-nevolzhskogo agrouniversitetskogo kompleksa: nauka i vysshee professional'noe obrazovanie. - 2015. - № 4 (40). - S. 21-28.
10. Orositel'nye sistemy Rossii: ot pokoleniya k pokoleniyu [Tekst]: monografiya / V. N. Schedrin, A. V. Kolganov, S. M. Vasil'ev, A. A. Churaev. - V 2 ch. -Novocherkassk: Gelikon, 2013. - 590 s.
11. Chefranov, A. G. Proektirovanie sistem real'nogo vremeni [Tekst] / A. G. Chefranov, R. V. Trocenko. - Taganrog: Izd-vo TRTU, 2005. - 226 s.
E-mail: [email protected]
