Научная статья на тему 'Повышение эффективности планирования деятельности космодрома в интегрированной автоматизированной системе управления'

Повышение эффективности планирования деятельности космодрома в интегрированной автоматизированной системе управления Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
138
34
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
КОСМОДРОМ / АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ / COSMODROME / AUTOMATED CONTROL SUSTEM

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Привалов Александр Евгеньевич, Дудалев Геннадий Владимирович, Александров Максим Андреевич

Рассматриваются модели планирования деятельности космодрома на уровнях абстрагирования с применением ERP-, APS-, MESи SCADAсистем, а также модель взаимодействия различных уровней для обеспечения согласованности их функционирования. Предлагается структура стратифицированной модели функционирования космодрома под управлением интегрированной автоматизированной системы управления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Привалов Александр Евгеньевич, Дудалев Геннадий Владимирович, Александров Максим Андреевич

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

IMPROVING THE EFFICIENCY OF PLANNING ACTIVITY OF COSMODROM IN THE INTEGRATED A UTOMATED CONTROL SYSTEM

The article deals with models for planning the activity of the cosmodrome at abstraction levels using ERP, APS, MES, and SCADA systems, as well as a model for interaction of various levels to ensure the consistency of their functioning. The structure of the stratified model of functioning of the cosmodrome under the control of the integrated automated control system.

Текст научной работы на тему «Повышение эффективности планирования деятельности космодрома в интегрированной автоматизированной системе управления»

Starovoytov Dmitry Igorevich, deputy head of the laboratory, head of the measuring equipment department, trall. 95@,mail. ru, Russia, Smolensk, 314 laboratory of measuring equipment,

Panina Alexandra Alexandrovna, test laboratory engineer, pani-na.Alexa5@gmail.com, Russia, Anapa, Military Innovation Technopolis «ERA»

УДК 519.8

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЛАНИРОВАНИЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ КОСМОДРОМА В ИНТЕГРИРОВАННОЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ

А.Е. Привалов, Г.В. Дудалев, М.А. Александров

Рассматриваются модели планирования деятельности космодрома на уровнях абстрагирования с применением ERP-, APS-, MES- и SCADA- систем, а также модель взаимодействия различных уровней для обеспечения согласованности их функционирования. Предлагается структура стратифицированной модели функционирования космодрома под управлением интегрированной автоматизированной системы управления.

Ключевые слова: космодром, автоматизированная система управления.

В настоящее время одной из наиболее существенных тенденций в развитии системы управления космодромом является комплексная автоматизация процесса управления. Интегрированная автоматизированная система управления (АСУ) рассматривается на четырех уровнях, каждый из которых выполняет собственные задачи [1, 2].

Нижний уровень представлен АСУ технологическими процессами, основу которого составляет SCADA-системы, выполняющие функции автоматизации сбора, обработки, передачи, хранения и отображения информации, разработки автоматических и автоматизированных систем технологическим оборудованием ракетно-космического комплекса. Второй уровень представляет собой АСУ подготовки и пуска, являющейся MES-системой, выполняющей функции управления процессом подготовки и пуска РКН от прибытия составных частей РКН на космодром до применения по назначению.

Третий уровень автоматизации предназначен для управления всеми ресурсами и информацией космодрома. Основой данного уровня является ERP-система, в задачи которой входят укрупненное планирование и управление эксплуатацией космических средств космодрома, а также планирование и управление всеми видами ресурсов (трудовых, материальных, финансовых). Верхний (четвертый) уровень анализа результатов подготовки и пуска РКН представляет собой OLAP-систему, предназначенную для обработки, систематизации и анализа всей информации по результатам подготовки и пуска РКН.

На каждом уровне интегрированной АСУ (кроме верхнего, на котором планирования, по сути не осуществляется) реализуется собственная концепция планирования, отличающаяся различной степенью детализации и абстрагирования. В связи с этим актуальной является задача обеспечения согласованности планов различных уровней иерархии и оценивания их качества.

Рис. 1. Иерархическая структура интегрированной АСУ

Планирование в ЕКР-системе

ЕКР-система представляет собой систему уровня макроуправления - основными ее задачами является управление информационными и ресурсными потоками на уровне предприятия в целом.

При функционировании специальных ОТС обычно выделяют два основных типа ресурсов - тип «мощности» и тип «энергия» [3].

1. Ресурсы типа «энергия» - невоспроизводимые, складируемые, накапливаемые ресурсы, которые в процессе выполнения работ расходуются полностью и не могут повторно использоваться. Такие ресурсы можно накапливать с последующим расходованием запасов. Для космодрома к таким ресурсам относятся компоненты ракетного топлива, горюче-смазочные материалы, электроэнергия и т. п. Потребность работы в складируемом ресурсе описывается функцией затрат (рис. 2), показывающей скорость потребления ресурса в зависимости от фазы работы, либо функцией затрат, показывающей суммарный, накопленный объем требуемого ресурса в зависимости от времени.

2. Ресурсы типа «мощности» - воспроизводимые, нескладируемые, ненакап-ливаемые ресурсы, которые в ходе работы сохраняют свою натурально-вещественную форму и по мере высвобождения могут использоваться на других работах. Если эти ресурсы простаивают, то их неиспользованная способность к функционированию в данный отрезок времени не компенсируется в будущем, т. е. они не накапливается. На космодроме к ресурсам типа «мощности» относится технологическое оборудование технических и стартовых комплексов. Потребность работы в нескладируемом ресурсе задается в виде функции потребности (рис. 3), показывающей количество единиц данного ресурса, необходимых для выполнения работ в зависимости от фазы.

Объем рес\

План обеспечения

ресурса III квартал

I квартал П квартал Ш квартал Время, кб Рис. 2. Функция затрат

А Ооъем рее; рса Функция потребности / ,Т | J ^ Функция наличия ресурса

1

w 1 1

I ] 1 т т ,

| | 1 LJ \ 1 1

"I 1 -1- i i i i i i i i -1-1-1- ->

Рис. 3. Функции потребности и наличия ресурсов

Наряду с функциями потребности, характеризующими задачи функционирования, необходимо рассматривать и функции наличия (доступности) ресурсов. Функции наличия задаются аналогично функциям потребности. Отличие заключается в том, что функции наличия задаются для ОТС в целом, так что их аргументом выступает не фаза работы, а время (рабочее или календарное). Проверка ресурсной реализуемости плана в ERP-системе требует сопоставления функций наличия и потребности в ресурсах.

Таким образом, ERP-система представляет собой систему управления потоками ресурсов и информации в масштабах всего космодрома. В ее основе лежат принципы разработки укрупнённых моделей и не ставятся задачи получения детализированных расписаний работы технологического оборудования. Модули планирования современных ERP-систем часто включают в себя APS-системы, в задачу которых входит построение расписания на оперативном уровне.

Планирование в APS-системе

Задачей APS-систем [4] является управления цепочками движения ресурсов, причём этот функционал APS, имеет двойное назначение - он реализуется как для всего космодрома, выступающего объектом всей цепочки в структуре системы макроуровня, так и для рабочих центров самого космодрома, к которым относятся технический и стартовый комплексы, кислородно-азотный завод, железнодорожная станция и т.п.

Планирование в APS-системе включает в себя следующие этапы:

1. Планирование потребностей в результатах деятельности космодрома. Этот этап заключается в анализе плана запусков и планировании обеспечения всеми видами ресурсов для выполнения этого плана.

2. Планирование сети рабочих центров и транспортных связей между ними. Структура рабочих центров для запуска одного КА с космодрома Байконур представлена на рис. 4 [5].

Рис. 4. Сеть рабочих центров запуска КА (на примере космодрома Байконур)

519

3. Планирование деятельности рабочих центров представляет собой планирование очередности их задействования и назначение ресурсов, а также планирование внешних поставщиков и транспортировок. Определяющим фактором при планировании является технология запуска КА. В качестве ограничений выступают загруженность рабочих центров и временные нормативы выполнения мероприятий. План запуска одного КА в APS-системе можно представить в форме совокупности диаграмм задействования рабочих центров (рис. 5). На рисунке также показано движение ресурсов и их преобразование.

Планирование в MES- и SCADA-системах

MES-система представляет собой автоматизированную систему управления и оптимизации деятельности, которая в режиме реального времени инициирует, отслеживает, оптимизирует, документирует процессы применения средств космодрома. Планирование на этом уровне представляет собой разработку сетевого графика выполнения операций на том или ином рабочем центре. Реализация алгоритма выполнения каждой операции возлагается на SCADA-систему. Следует отметить, что планирование на двух нижних уровнях иерархии в настоящее время достаточно хорошо отработано и не составляет новизны в контексте решаемой задачи.

Аэропорт ЖД станция^1 ^ КА:

ЗС КА и Р^ ^

ЖД Saifj^

Приемка КА е аэропорту Транспортировка КАна ТК КА Испытания КА на ТК КА Транспортировка КА на ЗС КА и РБ Заправка КА на ЗС КА и РБ Транспортировка КАна IK К А Испытания КА на ТК КА Транспортировка КАна ТК РКН

3 Производство ЖК на КАЗ Транспортировка ЖК на СК Заправка хранилища ЖК

1 Прииска РН на ЖД стандии ¡;Щ Транспортировка РН на ТК РН L?1 Сборка, испытания РН на ТК РН jjf] Сборка, испытания РКН на ТК РКН Транспортировка РКН на СК

^^Подготовка оборудования СК

Тодготовка РКН на СК и пуск РКН

ослепускоЕые операции на СК Техническое обслуживание

Рис. 5. Планирование деятельности рабочих центров

Взаимодействие уровней иерархии при планировании

Для обеспечения согласованного и эффективного планирования на различных уровнях в настоящее время разработан метод рекурсивного получения и выполнения плана работ [6]. Исходными данными для планирования является потребность в результатах деятельности космодрома - требуемый состав орбитальной группировки КА.

На первом этапе объемно-календарного планирования с применением ERP-системы разрабатывается план запусков, содержащий сроки запусков КА с учетом доступности всех видов ресурсов. План запусков детализируется на уровне APS-системы. Они не претендуют на высокую точность составления плана и не используют целый ряд важных критериев, обусловленных технологическим процессом, но в данном случае этого и не нужно, т.к. перед космодромом стоит иная задача - в какие сроки он сможет запустить тот или иной космический аппарат с учётом всей технологической цепочки. Сроки выполнения задач сравниваются с требуемыми и, при необходимости, корректируются, формируя контур обратной связи Ai.

Далее разработанный план спускается в рабочие центры и за его дальнейшее выполнение отвечают MES-системы. Разработанные на этом уровне сетевые графики учитывают гораздо большее количество технологических ограничений, в том числе случайного характера - текущее техническое состояние технологического оборудования, графики проведения ремонтов и технических обслуживаний и т.п. Для устранения возможных противоречий вводится контур обратной связи A2. Непосредственное управление операциями технологического процесса осуществляется SCADA-системами.

Контроль сроков выполнения операций рабочими центрами может осуществляться двумя способами. Для неавтоматизированных операций (например, раскладка заправочных шлангов на кабине обслуживания) ввод времен начала и окончания операций осуществляется вручную (контур обратной связи Аз). Для операций, выполняемых под управлением SCADA-систем, ввод параметров операций выполняется автоматически (контур обратной связи A4).

Таким образом, в данная схема дает возможность рекурсивного построения и коррекции плана - сначала в ERP строится объёмный план, на следующем этапе план вновь попадает в расчётную стадию, где с помощью APS-системы он формируется в виде детального расписания для всего космодрома, и на последнем «витке» план рассчитывается сетевой график с помощью MES-систем. Сложность данной схемы оправдывается возможность учета всех ресурсных и технологических ограничений.

Рис. 5. Взаимодействие различных уровней 521

Иерархия моделей оценивания качества плана

В настоящее время эффективным инструментом оценивания качества разработанных планов является имитационное моделирование. Оценивание качества иерархического комплекса планов требует построения иерархического комплекса моделей на различных уровнях абстрагирования (стратах) [7]. Достоинством стратификации модели является возможность применения на каждом уровне той концепции моделирования, которая наиболее адекватно отражает сущность происходящих процессов на данном уровне абстрагирования. Всего предлагается использовать четыре уровня модели (рис. 6):

Страта 1 - уровень технологического оборудования как правило описывается динамическими моделями автоматических систем. Управляющие воздействия формируются БСЛВЛ-системой на основании алгоритма управления. Однако, на этом уровне могут применяться и другие модели, например, системы массового обслуживания для моделирования вычислительных систем.

МОДЕЛЬ управляющей управляющее

СИСТЕМЫ ВОЗДЕЙСТВИЕ

МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ

Страха 4. Системней дннашиЕа

Рис. 6. Стратифицированная модель деятельности космодрома

Страта 2 - уровень рабочего центра характеризуется абстрагированием от динамики изменения состояния технологического оборудования, ограничиваясь самим фактом его изменения. Следовательно, на этом уровне целесообразно воспользоваться дискретными моделями - детерминированными или вероятностными конечными автоматами. Входные (управляющие) сигналы формируются МЕБ-системой на основе сетевого графика.

Страта 3 - уровень детального плана космодрома характеризуется абстрагированием от работы технологического оборудования. Для моделирования объекта управления предлагается использовать систему или сеть массового обслуживания [8], в которой в качестве канала обслуживания выступает рабочий центр, заявкой является тот или иной процесс, связанный с преобразованием ресурсов в рабочем центре. Заявки поступают под управлением детального плана ЛРБ-системы.

522

Страта 4 - уровень объемно-календарного плана характеризуется абстрагированием от технологии преобразования ресурсов, оперируя только динамикой изменения их состояния. Наиболее адекватной моделью данного уровня представляется концепция системной динамики [9]. Управляющие воздействия на модель формируются на основе объемно-календарного плана ERP-системы.

При построении моделей на верхних уровнях иерархии необходимо учитывать, что в качестве фундамента для внедрения систем комплексной автоматизации используется жизненный цикл космических средств согласно общей концепции информационной поддержки жизненного цикла CALS. Для укрупненного планирования этапов жизненного цикла, а также ресурсного планирования используется стандарт функционального моделирования IDEF0, отображающий иерархию функций моделируемой системы. Для перехода от IDEFO-диаграмм к имитационным моделям системной динамики и систем массового обслуживания предлагается воспользоваться разработанными методиками [10,11].

Заключение. В настоящее время внедрение интегрированных систем управления в структуру космодрома приостановлено. Достаточно большие успехи достигнуты на нижних уровнях - SCADA- и MES-систем для технического и стартового комплекса. Примерами подобных систем могут послужить автоматизированные системы подготовки и пуска стартовых комплексов «Союз-2» и «Ангара». Вместе с тем, наибольший эффект от внедрения системы автоматизации можно получить только при построении комплексной системы управления космодромом.

Список литературы

1. Шмелёв В.В. Корпоративная информационная система автоматизированной системы управления подготовкой и пуском ракеты космического назначения // Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского. 2015. № 646. С. 29-37.

2. Методология создания и применения интеллектуальных информационных технологий наземно-космического мониторинга сложных объектов / В.А. Зеленцов, А.П. Ковалев, М.Ю. Охтилев, Б.В. Соколов, Р.М. Юсупов // Труды СПИИРАН. 2013. № 5 (28). С. 7-81.

3. Привалов А.Е. Теория управления организационно-техническими системами: учебное пособие. СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского, 2015. 130 с.

4. Загидуллин Р.Р. Управление машиностроительным производством с помощью систем MES, APS, ERP: монография. Старый Оскол: ТНТ, 2015. 372 с.

5. Основы устройства ракетно-космических комплексов [Текст]: учебное пособие / Федоров А.В., Аникейчик Н.Д. СПб., 2012. 243 с.

6. Соломенцев Ю.М., Загидуллин Р.Р., Фролов Е.Б. Планирование в современных системах управления производством // Информационные технологии и вычислительные системы, 2010. №4. С. 77-87.

7. Месарович М., Мако Д., Такахара И.Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1972. 344 с.

8. Имитационная модель процесса подготовки ракеты космического назначения к пуску на стартовом комплексе с учетом возможных нештатных ситуаций / А.Е. Привалов, А.Г. Тарасов, А.Л. Копейка, С.С. Степанов // Современные проблемы создания и эксплуатации вооружения, военной и специальной техники: сб. ст. III Всероссийской научно-практ. конф., 14-15 дек. 2016. СПб, 2016. Т. 1. С. 151-155.

9. Каталевский, Д.Ю. Основы имитационного моделирования и системного анализа в управлении: учеб. пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. 496 с.

10. Хлебников С.Г., Привалов А.Е. Методика перехода от IDEFO-диаграмм к детерминированным моделям системной динамики // Изв. Ин-та инженерной физики. 2017. №3(45). С. 79-82.

11. Тихонов С.В. Методика перехода от IDEF0 к модели в терминах теории систем массового обслуживания при исследовании бизнес-процессов организации // Управление большими системами: сборник трудов. М.: ИПУ РАН, 2008. Вып. 21. С. 5-15.

Привалов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, старший преподаватель, maks. aleksandrov. vka@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,

Дудалев Геннадий Владимирович, канд. техн. наук, начальник кафедры, maks. aleksandrov. vka@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,

Александров Максим Андреевич, преподаватель, maks.aleksandrov. vka@mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского

IMPROVING THE EFFICIENCY OF PLANNING ACTIVITY OF COSMODROM IN THE INTEGRA TED A UTOMA TED CONTROL SYSTEM

A.E. Privalov, G. V. Dudalev, M.A. Aleksandrov

The article deals with models for planning the activity of the cosmodrome at abstraction levels using ERP, APS, MES, and SCADA systems, as well as a model for interaction of various levels to ensure the consistency of their functioning. The structure of the stratified model of functioning of the cosmodrome under the control of the integrated automated control system.

Key words: cosmodrome, automated control sustem.

Privalov Alexander Evgenievich, candidate of technical sciences, senior lecturer, maks.aleksandrov. vka@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaysky Military Space Academy,

Dudalev Gennady Vladimirovich, Candidate of Technical Sciences, head of the department, maks. aleksandrov. vka@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaysky Military Space Academy,

Aleksandrov Maksim Andreevich, lecturer, maks. aleksandrov. vka@mail. ru, Russia, St. Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.