CC BY
65
УДК 004.414
А. М. Трегубов, С. П. Ковалёв
Конструкторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН ул. Акад. Ржанова 6, Новосибирск, 630090, Россия E-mail: alexlytregubov@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕМ
Рассматривается вопрос построения крупномасштабных систем мониторинга и управления энергосбережением (СМУЭ). Обсуждаются характерные особенности (ограничения и условия) разработки, а также ключевые технические решения, учитывающие эти особенности. К этим решениям относятся: построение СМУЭ на базе системной архитектуры типовой автоматизированной системы технологического учета и ее адаптация, а также разностороннее применение документооборота для прикладных задач.
Ключевые слова: системы управления и мониторинга энергосбережением, крупномасштабные системы управления, автоматизация, энергосбережение.
Энергосбережение и повышение энергоэффективности являются одним из основных направлений модернизации экономики России, обозначенных Президентом РФ. Обоснованием важности экономии энергоресурсов является тот факт, что Россия располагает масштабным недоиспользуемым потенциалом энергосбережения, который по способности решать проблему обеспечения экономического роста страны сопоставим с приростом производства всех первичных энергетических ресурсов \ Хотя запасов нефти и газа в России достаточно, увеличение объемов добычи углеводородов и развитие транспортной инфраструктуры требуют значительных инвестиций, поэтому, чтобы предотвратить спад экономического роста страны из-за нехватки мощностей, направление развития энергосбережения видится наиболее обоснованным.
Управление энергосбережением в России
Для решения задачи сокращения энергоемкости отечественной экономики на 40 % к 2020 г. правительством был принят комплекс мер, направленных на стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Одной из таких мер является создание государственной информационной системы в области энергосбережения и энергоэффективности (ГИС ЭЭ), предусмотренной Федеральным законом № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», ст. 23, п. 1. ГИС ЭЭ задумана как система верхнего уровня управления и мониторинга энергосбережением в России. Прежде чем переходить к более подробному рассмотрению технических решений в системах автоматизации управления энергосбережением на разных уровнях управления следует дать общее представление об автоматизируемых процессах.
Поскольку главной целью в предметной области является повышение энергетической эффективности, то основная задача соответствующих систем автоматизации состоит в том, чтобы:
1) вести учет выполненных мероприятий по повышению энергоэффективности и эффект от них;
1 Сайт Министерства энергетики Российской Федерации: http://minenergo.gov.ru/activity/energoeffektivnost/branch
ISSN 1818-7900. Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. 2012. Том 10, выпуск 3 © А. М. Трегубов, С. П. Ковалёв, 2012
2) давать оценку текущего потребления ресурсов;
3) на основе введенных или полученных ранее данных составлять программу планируемых мероприятий для достижения желаемого эффекта.
Таким образом, в энергосбережении можно выделить три основные группы процессов:
1) мониторинг проведения предпринимаемых мер по повышению энергоэффективности;
2) мониторинг потребления энергоресурсов;
3) анализ и планирование - сопоставление плановых показателей эффективности с фактически достигнутыми и планирование мероприятий на будущее.
Эти группы процессов в свою очередь состоят из более мелких процессов. В каждой группе процессов уделяется большое внимание ведению нормативно-справочной информации (НСИ) 2. Этот аспект работы систем автоматизации выделяется в отдельный процесс. Далее предлагается рассмотреть конкретные виды систем автоматизации для указанных групп процессов.
Управление энергосбережением в России предусматривает работу на трех основных уровнях:
1) федеральном - информационное обеспечение процессов в области энергосбережения;
2) региональном - реализация региональных и муниципальных программ энергосбережения;
3) субъектном - реализация мероприятий для повышения энергоэффективности.
В целом можно сказать, что каждому из этих уровней почти однозначно соответствует свой вид систем автоматизации процессов, хотя и здесь есть некоторые исключения, которые обсуждаются далее.
На федеральном уровне такой системой автоматизации является система ГИС ЭЭ, она же является пока и единственным представителем своего класса систем. Цель работы ГИС ЭЭ -предоставление физическим лицам, организациям, органам государственной власти, органам местного самоуправления актуальной информации о требованиях законодательства об энергосбережении, о ходе реализации его положений, а также получение объективных данных об энергоемкости экономики России. Таким образом, ГИС ЭЭ является средством концентрации и распространения информации о реализации федерального законодательства. С точки зрения выполняемых функций она не является управляющей и решает исключительно информационную задачу.
Информация, предоставляемая в ГИС ЭЭ, носит разнородный характер и включает данные о региональных и муниципальных программах энергосбережения, о нормативных актах в области энергосбережения, агрегированные показатели использования энергоресурсов, информацию об оснащенности приборами учета, результатах энергетических обследований и т. д. Формирование всех этих данных для ГИС ЭЭ должно осуществляться технологическим интеграционным уровнем автоматизации. Под формированием данных для ГИС ЭЭ следует понимать сбор, хранение, агрегацию информации, поступающей от субъектов энергосбережения, а также генерацию аналитических отчетов для верхнего уровня управления. Субъектами энергосбережения здесь являются все участники, задействованные в процессе повышения энергоэффективности. К ним относятся как поставщики и транспортеры энергоресурсов, так и их потребители. Таким образом, имеется следующая схема движения данных по уровням управления (от федерального уровня до конкретного субъекта энергосбережения) и соответствующих им систем автоматизации (рис. 1).
Реализация интеграционного уровня в области энергосбережения регионального масштаба, соединяющего отдельные субъекты энергосбережения и их локальные системы учета (автоматизированные системы коммерческого учета (АСКУЭ) и др.) с ГИС ЭЭ, является сложной задачей создания крупномасштабной распределенной системы мониторинга и управления энергосбережением (СМУЭ) (см. рис. 1). Несмотря на то, что СМУЭ - это системы регионального уровня, решая задачу интеграции между уровнями управления, они служат для автоматизации основных групп процессов, указанных выше, и на уровне субъектов. Например, к таким процессам относится инвентаризация приборов учета, планирование
2 Межгосударственный стандарт ГОСТ 34.003-90 «Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения».
Рис. 1. Схема движения информационных потоков по уровням интеграции
энергосберегающих мероприятий в бюджетных учреждениях (школах, больницах). Ввиду своей новизны и концептуальной сложности с технической точки зрения этот вид систем представляет наибольший интерес среди систем автоматизации в области энергосбережения и поэтому является основным объектом обсуждения в данной статье.
Характерные особенности СМУЭ и выбор методологии
Далее предлагается рассмотреть ограничения (или условия), обуславливающие выработку особых технических решений при проектировании СМУЭ. К ним относятся следующие.
1. Организационная разобщенность - в процессе задействовано не только большое количество участников процесса повышения энергоэффективности, но и большое количество разработчиков, участвующих в создании разных модулей системы.
2. В предметной области нет устоявшихся бизнес-процессов. Так как область энергосбережения еще достаточно нова в России, часто сами специалисты предметной области неспособны в полной мере ответить на важные вопросы. Например, по какому алгоритму производится планирование мероприятий на субъектах или каков жизненный цикл тех или иных документов? Здесь требуется большая совместная аналитическая работа специалистов, как со стороны разработчиков, так и со стороны заказчиков и конечных потребителей системы. В этой особенности есть и положительная сторона - возможность изначально согласованно строить бизнес-процесс и систему управления, не автоматизируя исторический беспорядок.
3. Существующая нормативно-правовая база в области энергосбережения неполна. Примером такой неполноты является, например, отсутствие списка ключевых ролей и полного перечня их обязательств. Также существует проблема несогласованности НСИ. Например, на федеральном уровне утвержден один перечень показателей эффективности энергосбережения 3, а для оценки эффективности мероприятий по энергосбережению, утвержденных Правительством Москвы 4, другой. Такие нестыковки накладывают дополнительные трудности на проектирование единой системы НСИ в СМУЭ.
4. Большое количество приборов, вовлеченных в работу системы. Основная часть этих приборов - это приборы учета, с которых ведется сбор данных о потреблении ресурсов. Сбор может вестись как непосредственно, так и через соответствующие АСКУЭ при их наличии.
5. Динамичность. Это проявляется как со стороны нормативного регулирования (меняются законы, регламенты, требования), так и со стороны технических средств (меняются приборы учета, системы АСКУЭ и протоколы обмена данными с ними). Это условие требует от СМУЭ большой гибкости.
Большая часть из вышеперечисленных условий создания СМУЭ характерна для многих распределенных крупномасштабных систем управления. Для возможности повторного использования полученных результатов применялась методология, основанная на инженерии предметной области (domain engineering) [1]. Основной цикл инженерии предметной области состоит из трех шагов [2].
1. Идентификация предметной области, в ходе которой происходит установление границ области, определение круга заинтересованных лиц и их целей.
2. Моделирование предметной области. Выполняется сбор, систематизация и формализация информации о предметной области, поступающей из различных источников.
3. Проектирование предметной области. Формируется архитектура ядра, фиксируются интерфейсы взаимозаменяемых компонентов, принимаются ключевые технические решения по реализации системы автоматизации.
В следующем разделе рассматриваются непосредственно ключевые технические решения, применимые для СМУЭ, с учетом вышеуказанных условий, а именно:
1) использование системной архитектуры АСТУ для СМУЭ;
2) использование документооборота как средства организации работы многих распределенных участников различных процессов;
3) привязка элементов документооборота в информационной модели для автоматической верификации статусов документов и их привязки к объектам реального мира.
Эти решения были апробированы авторами в ходе создания Единой информационной системы для мониторинга и управления эффективностью энергосбережения Москвы [3]. Также следует отметить, что это выделенный перечень технических решений не является полным, а лишь представляет набор опробованных авторами на практике подходов, которые учитывают характерные особенности СМУЭ.
Использование архитектуры АСТУ для СМУЭ
Анализ требований к СМУЭ, проведенный для решения прикладных задач, показывает, что часть из них уже реализована в существующих корпоративных системах управления
3 Постановление правительства РФ от 31 декабря 2009 г. № 1225.
4 Постановление правительства Москвы от 29 декабря 2009 г. № 1499-ПП.
производством, в АСТУ, а также в системах электронного документооборота (СЭД). К таким требованиям относится реализация следующих функций:
1) сбор данных с распределенных систем учета и управления энергосбережением;
2) автоматический расчет учетных показателей, агрегация данных;
3) ведение НСИ;
4) ведение электронного документооборота;
5) генерация отчетов, в том числе и для ГИС ЭЭ.
Есть функции, которые не покрываются существующими системами. Например, ведение таких процессов в области энергосбережения, как:
1) мониторинг исполнения программ энергосбережения (далее программ);
2) мониторинг выполнения энергосберегающих мероприятий (или просто мероприятий);
3) планирование и мониторинг достижения целевых показателей.
Однако, учитывая технологическую ориентированность многих функций, наиболее оптимальным решением при построении СМУЭ является использование накопленного опыта создания систем класса АСТУ и их архитектуры как базовой (рис. 2). Такой подход позволяет сэкономить на разработке части компонентов (например, практически полностью без изменений может использоваться подсистема сбора информации), но требует совершенствования многих элементов, связанных с ведением электронного документооборота и единой НСИ. Использованные принципы формирования подсистем см. в [4; 5].
В условиях, когда система должна взаимодействовать с множеством локальных систем нижнего уровня (АСКУЭ и др.), с системой верхнего уровня (ГИС ЭЭ), возникает острая необходимость ведения единой НСИ [6]. В состав НСИ входят словари (например, сокращений), справочники (например, телефонный справочник, справочник типовых мероприятий повышения энергоэффективности), классификаторы (БИК ОКПО, ОКАТО), нормативы, идентификаторы и кодификаторы. Кроме стандартных словарей, справочников и классификаторов, каждая информационная система обычно обладает собственной НСИ, необходимой
Рис. 2. Архитектура типовой АСТУ для СМУЭ
для ее функционирования. До тех пор пока информационные системы работают изолированно друг от друга, проблем, вызванных различием в НСИ, как правило, не возникает. Однако если приходится объединить отчетные данные двух и более разных систем, расхождение в НСИ делает невозможным прямое слияние таблиц. Именно поэтому при проектировании СМУЭ отдельно выделяется модуль ведения единой НСИ. Более детально этот вопрос обсуждается в [7; 8]. Сегодня на рынке также наблюдается тенденция активного развития систем управления НСИ. Свои решения в этой области предлагают ведущие интеграторы, такие как IBM (IBM InfoSphere MDM Server) и Oracle (Oracle MDM - ONTOLOGIC).
Аспекты использования документооборота в СМУЭ будут также рассмотрены далее.
Онтология предметной области
и построение информационной модели
Для того чтобы продолжить обоснование выбора остальных проектных решений, необходимо ближе ознакомиться с основными результатами идентификации предметной области. Далее представлены фрагменты онтологии предметной области, посвященные основным предметным сущностям, таким как программы энергосбережения, энергосберегающие мероприятия, а также схема процессов планирования и мониторинга выполнения энергосберегающих мероприятий на субъектах энергосбережения.
Для моделирования предметной области существуют разные технологии (см. обзор в [1]), но особый интерес представляют технологии, рассматривающие в качестве модели предметной области ее онтологию - формализованный свод основных понятий, отношений между ними и правил логического вывода предметных знаний [2]. Это свойство полезно для описания документов предметной области, и оно было использовано при построении концептуальной схемы программы энергосбережения (рис. 3). Детально вопросы формирования программ энергосбережения обсуждаются в [9]. Оранжевым цветом на схеме выделены элементы предметной НСИ (см. рис. 3). К ним относятся:
1) виды мероприятий;
2) виды методик;
3) виды показателей;
4) единицы измерения величин;
5) источники финансирования.
Программа энергосбережения - это документ, определяющий основные направления по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Они содержат перечень планируемых организационных, правовых и технических мероприятий, целевые показатели их выполнения, объемы и источники их финансирования. По своей сути программы являются планами мероприятий по повышению энергоэффективности субъекта энергосбережения. Субъекты энергосбережения могут быть разных масштабов - от регионов и муниципалитетов до отдельных бюджетных учреждений (школ, детских садов). Требования к региональным и муниципальным программам энергосбережения установлены в Федеральном законе № 261.
Основные структурные элементы программы энергосбережения, представленные на схеме (см. рис. 3):
1) программа - объемлющая сущность;
2) проект - структурная составляющая программы;
3) мероприятие - структурная составляющая проекта, которая на уровне субъектов энергосбережения может быть самостоятельной сущностью и не входить в проект.
Особого внимания требует рассмотрение энергосберегающих мероприятий. Энергосберегающее мероприятие - это комплекс мер, проводимых субъектом энергосбережения на своих объектах (зданиях, помещениях, производственных объектах), направленных на повышение энергетической эффективности и учета энергоресурсов. Субъекты энергосбережения бывают разных уровней: на самом верхнем уровне - это правительственные департаменты, а на нижнем - это школы, детсады, больницы. Для каждого из уровней предусмотрено проведение различных видов мероприятий. Для школ это, например, утепление фасадов, установка теп-лорегуляторов, а для департаментов - проведение энергоаудита и инвентаризации приборов
учета на подведомственных субъектах. Даже разработка и внедрение СМУЭ согласно указанному выше определению тоже относится к энергосберегающим мероприятиям, поэтому все мероприятия должны классифицироваться. Классификационным признаком для них является вид мероприятия. Справочник видов мероприятий является иерархическим классификатором.
Рис. 3. Концептуальная схема программы энергосбережения
Рис. 4. Концептуальная схема энергосберегающих мероприятий
Наиболее интересными для рассмотрения являются процессы планирования и мониторинга мероприятий на уровне субъектов, так как в отличие от мероприятий более высокого уровня их исполнение не сводится к простой декларации этого факта со стороны пользователя, а их энергетическая эффективность может быть количественно измерена. На рис. 4 приведен фрагмент онтологии, касающийся мероприятий и связанных с ними сущностей. На диаграмме процессов (рис. 5) показаны этапы процессов планирования и мониторинга мероприятий, выполняющие их роли и соответствующие модули системы СМУЭ. Представленная на рис. 5 схема процессов является результатом детального анализа принципов формирования программ, изложенных в [9].
Различные аспекты использования документооборота
Многие документы в СМУЭ (в том числе программы, энергосберегающие мероприятия) являются не просто электронными копиями соответствующих их бумажных экземпляров, а сущностями, имеющими свой жизненный цикл в этой системе. Например, один из вариантов жизненного цикла программы показан на рис. 6.
Такое использование жизненного цикла документов служит для организации работы группы ответственных лиц, включающих различных специалистов предметной области. Применение названо прямым, так как оно, как правило, полностью повторяет бумажный процесс. Этот аспект использования документооборота в СМУЭ также служит для связки технологического уровня управления с корпоративным, что очень существенно ввиду значительной организационной разобщенности СМУЭ. Например, ответственный за энергосбережение на субъекте, зная особенности и характеристики своих объектов, может сформировать заявку на проведение определенного перечня мероприятий и отправить ее на утверждение ответственному лицу вышестоящего управляющего субъекта. Тот в свою очередь, имея определенные ограничения (бюджет, рекомендованные виды мероприятий), может принять его, отклонить или утвердить в исправленном виде. Таким образом, первый аспект использования документооборота - организация распределенной работы множества различных специалистов и организаций в целом.
Рис. 5. Процессы планирования и мониторинга энергосберегающих мероприятий
Рис. 6. Жизненный цикл Программы энергосбережения
Второй аспект использования документооборота - это его применение в привязке к информационной модели. Цель такой привязки - автоматическое прохождение и верификация различных этапов бизнес-процессов. Это позволяет не только верифицировать работу специалистов, но и производить оценку их действий. Чтобы понять, о чем идет речь, следует рассмотреть несколько примеров.
Пример 1. После выполнения мероприятия на объекте (например, здании школы) ответственный за энергосбережение вносит эту информацию в СМУЭ. Делается это путем указания соответствующего статуса этого мероприятия и объема его исполнения. Пусть таким мероприятием является замена старых деревянных оконных блоков на новые пластиковые и пусть была выполнена замена лишь на двух этажах из четырех (объем исполнения равен 50 %). В СМУЭ для данного вида мероприятия и для данного типа строения (т. е. здания школы конкретной серии) имеется информация о плановом объеме экономии. Эта информация закладывается изначально при планировании и может быть получена расчетным путем или накоплением статистической информации по объектам такого же типа и мероприятиям такого же вида. Также в СМУЭ есть данные о потреблении энергетических ресурсов этим объектом, т. е. имеется фактическая информация о полученном эффекте от проведенных мероприятий. Также важно, что эта информация получена не декларативным путем от самого пользователя, а от средств измерений. Сравнивая фактические результаты и прогнозируемые, можно сделать выводы не только о факте их исполнения, но и о качестве.
На этом примере видно, что сущность «мероприятие» является исключительно логической, так как в любом физическом документе это лишь некоторая его часть, содержащая перечень строк. Но в СМУЭ энергосберегающее мероприятие приобретает полноценный жизненный цикл, привязанный к информационной модели, что дает возможность автоматической проверки статуса этого мероприятия. Таким образом, документооборот здесь является лишь механизмом реализации функций, имеющих непосредственно к документообороту косвенное отношение.
Пример 2. Выполнение государственного контракта на проведение энергетических обследований предполагает наличие отчетов, выполненных по определенному стандарту, и энергетических паспортов для каждого из обследуемых объектов. Если энергетический паспорт объекта и отчет об обследовании являются структурированными электронными документами, то автоматическая проверка того, что контракт был выполнен, сводится к проверке наличия корректно заполненных электронных документов энергопаспортов и отчетов.
Пример 3. Аналогично проведению энергетических обследований дело обстоит с государственными контрактами на установку приборов учета. Пока прибор как сущность не появился в СМУЭ и данные о потреблении не начали поступать, можно ставить вопрос об успешности выполнения контракта.
Таким образом, происходит отчуждение проверки исполнения документа, выполняющего функцию задания здесь, от его исполнителя. Сложность реализации этого аспекта использования документооборота в СМУЭ заключается в тщательной привязке к информационной модели. Успешная работа такой привязки возможна только при достаточно хорошем наполнении модели данными и наличием согласованной НСИ. Эту особенность следует иметь в виду, так как значимая эффективность от использования СМУЭ будет достигаться лишь спустя несколько лет эксплуатации и непрерывной доработки.
Заключение
Был рассмотрен вопрос построения СМУЭ с использованием архитектуры типовой АСТУ с учетом адаптации последней. Были сформулированы отличительные характеристики СМУЭ и основные требования к ним. Также были изложены ключевые технические решения, учитывающие эти характеристики. Изложенные подходы были апробированы авторами при разработке Единой информационной системы для мониторинга и управления эффективностью энергосбережения Москвы [3], которая находится на этапе опытной эксплуатации с начала 2012 г.
Список литературы
1. Чернецки К., Айзенкер У. Порождающее программирование: методы, инструменты, применение. Для профессионалов. СПб.: Питер, 2005. С. 731.
2. Ковалев С. П. Применение онтологий при разработке распределенных автоматизированных информационно-измерительных систем // Автометрия. 2008. Т. 44, № 2. С. 41-49.
3. Единая информационная система для мониторинга и управления эффективностью энергосбережения // Энергосбережение. 2011. № 1. С. 4-5.
4. Garland J., Anthony R. Large-Scale Software Architecture. A Practical Guide Using UML. John Wiley & Sons Ltd, 2003. Р. 141-144.
5. Фаулер М. Архитектура корпоративных программных приложений: Пер. с англ. М.: Изд. дом «Вильямс», 2007.
6. Андрюшкевич С. К. Построение информационной модели крупномасштабных объектов технологического управления с применением аспектно-ориентированного подхода // Вестн. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Информационные технологии. 2010. Т. 8, вып. 3. С. 34-45.
7. Асадуллаев C. Фирменные архитектуры хранилищ данных // PC Week / RE. 1998. № 32-33. С. 156-157.
8. Асадуллаев C. Управление метаданными средствами IBM Information Server, 2008. URL: http://www.ibm. com/developerworks/ru/library/sabir/meta/index.html.
9. Формирование региональных программ энергосбережения // Энергосбережение. 2010. № 8. С. 4-10.
Материал поступил в редколлегию 29.04.2012
A. M. Tregubov, S. P. Kovalyov
OUTSTANDING CHARACTERISTICS OF LARGE SCALE SYSTEMS OF ENERGY EFFICIENCY MONITORING AND CONTROL DESIGN
The article surveys issue of large scale automation systems construction in the field of energy efficiency. Outstanding characteristics of large scale systems of energy efficiency monitoring and control design are discussed. General limitations and features of design of these systems as well as possible technical solutions are provided in the survey. These solutions include reuse of typical MES system architecture and its adaptation as well as different aspects of document workflow subsystem.
Keywords: large scale systems of energy efficiency monitoring and control, ultra large scale systems, automation, energy efficiency.
