CC BY
43
УДК 621.398
ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМ СБОРА ДАННЫХ
Н.Е. Пацей; В.Т. Придухо, к.т.н.
(Белорусский национальный технический университет, г. Минск, ра1аеу_па1авЪл.@таИ-ги> [email protected])
В статье рассматриваются средства и методика автоматизации проектирования систем сбора данных. Эти системы являются основой для создания автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии. Описанные программно-методический комплекс и методика объединяют все этапы проектирования: структурный и параметрический синтезы, анализ работы системы. Приводятся методы поиска решения, используемые на каждом этапе.
Ключевые слова: автоматизация проектирования, система сбора данных, автоматизированная система контроля и учета энергоресурсов.
Автоматизированные системы контроля и учета электроресурсов (АСКУЭ) технического назначения являются средством контроля расхода электроэнергии, управления долей затрат на нее в себестоимости продукции. Высокий спрос на эти системы, количество предлагаемых элементов и готовых решений свидетельствуют об актуальности проблемы оптимального выбора проектного решения.
АСКУЭ имеют, как правило, иерархическую трехуровневую структуру. Верхний уровень представлен сервером системы, выполняющим сбор, хранение данных и пр.; средний - устройствами сбора и передачи данных (УСПД), собирающими и хранящими данные измерения. Нижний уровень -это устройства измерения. В ряде случаев система выполняет функции телеконтроля и телесигнализации, тогда нижний уровень включает в себя также датчики управления и сигнализации. Датчики сигнализации используются для контроля состояния оборудования энергосистемы (включено оборудование, подано напряжение и т.д.), датчики управления - для изменения состояния оборудования энергосистемы (отключить напряжение, изменить положение контактов и пр.). Передача данных управления и сигнализации между соответствующими датчиками и сервером системы осуществляется через УСПД.
При проектировании АСКУЭ необходимо решить задачу выбора структуры системы и устройств для ее реализации. С этой целью разработана обобщенная операционная модель, имеющая значительное множество оптимизируемых параметров. С помощью методов декомпозиции она была разбита на частные операционные модели в соответствии с основными этапами проектирования, на них разработаны модули структурного, параметрического синтеза и модуль анализа работы системы, образующие программно-методический комплекс.
На каждом этапе проектирования оцениваются параметры системы, влияющие на ее стоимость и отказоустойчивость. Стоимость системы является важнейшей экономической характеристикой,
определяющей возможность и целесообразность реализации проектного решения. Отказоустойчивость характеризует способность системы сохранять показатели качества выполняемых функций в случае отказа отдельного элемента. Выбор отказоустойчивости как критерия обусловлен тем, что для объективной оценки надежности АСКУЭ необходимо выполнить расчет параметров безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости, а это не всегда возможно из-за отсутствия необходимых данных в паспортах элементов системы. В свою очередь, оценка отказоустойчивости проводится по количеству потерянных в результате отказа данных (информационная составляющая) и их стоимости (экономическая составляющая). Наличие комплексной оценки позволит при отсутствии полной информации о режиме работы объекта наблюдения и АСКУЭ предварительно оценить отказоустойчивость системы по одной из составляющих, а при достаточном объеме информации проводить оценку с использованием взвешенных коэффициентов.
На этапе структурного синтеза решается задача поиска оптимального числа УСПД и мест их установки, при которых система будет иметь максимальную отказоустойчивость и минимальную стоимость. Повышение отказоустойчивости системы достигается путем уменьшения максимума количества данных, потерянных в результате отказа элемента системы, и их стоимости. Стоимость системы снижается за счет использования меньшего числа УСПД и сокращения общей протяженности каналов передачи. Таким образом, в качестве критериев оптимальности используются дисперсия количества данных, передаваемых УСПД (Ух), которая оценивает равномерность распределения данных между УСПД, дисперсия стоимости данных, передаваемых УСПД (У2), оценивающая равномерность распределения стоимости данных между УСПД, и стоимость УСПД и каналов передачи данных между УСПД и устройствами нижнего уровня (УНУ) (У3). В качестве оптимизируемых параметров используются число УСПД в системе и набор соединений между
УСПД и УНУ. Модуль структурного синтеза выполняет поиск оптимальной структуры с помощью генетического алгоритма [1], варьируя оптимизируемыми параметрами системы. В качестве функции приспособленности используется нормализованный аддитивный критерий:
Y = X Y^yW +а2 х у2/у2(1) +
• V 1 (1) ^ min при = 1,
сУз/Уз(1)
где Ух, У2, Уз - значения частных критериев при текущем проектном решении; У^, У^, У^ -значения частных критериев при первом анализируемом проектном решении; ах, а2, а3 - весовые коэффициенты частных критериев Ух, У2, У3 соответственно.
На этапе параметрического синтеза уменьшение стоимости системы достигается за счет использования более дешевого оборудования, а повышение отказоустойчивости - за счет уменьшения вероятности отказа элемента системы, выход которого из строя будет иметь наибольшие последствия, то есть за счет использования устройства с большим значением наработки на отказ. В качестве критериев оптимальности используются стоимость применяемого оборудования (У4), отношение количества потерянных при отказе данных к количеству сохраненных данных в системе (У5), отношение стоимости потерянных при отказе данных к стоимости данных, сохраненных в системе (У6).
Модуль параметрического синтеза выполняет поиск устройств для АСКУЭ в соответствии со следующими параметрическими ограничениями: значения номинального тока и напряжения в точке подключения счетчиков, число фаз, направления и виды учитываемой энергии, интервалы усреднения, параметры оценки качества энергосети, фиксируемые счетчиком, число тарифных зон и число тарифных групп, типы интерфейсов, точность учета, протоколы передачи данных. Данные об УСПД и УНУ, доступных на рынке, содержатся в БД. На основе ограничений, значения которых определяет проектировщик, формируется множество
устройств, допустимых к использованию в заданной АСКУЭ. Для решения этой задачи применялся метод исследования пространства параметров [2]. Для принятия окончательного решения -нормализованный аддитивный критерий:
min Y = ßi х Y4/Y4(1) + ß2 х Ys /У5(1) ■
+
3
+ß3 X Y6/Y6(1) при £ßh = 1,
(2)
h=1
Схема модернизируемой АСКУЭ
Модуль распознавания _чертежей
Количество и характеристики точек подключения
Модуль структурного синтеза
БД устройств первого и второго уровней
^Параметрические
\/
* ограничения устройств
Модуль параметрического синтеза
Количество УСПД, связи первого и второго уровней
Параметрические
Множество
допустимых
устройств
Структура АСКУЭ, параметры У используемых устройств
Модуль анализа работы
I
Оценка работоспособности системы
Рис. 1
где У4, У5, У6 - значения частных критериев при текущем проектном решении; У^У^^У^ -значения частных критериев при первом анализируемом проектном решении; рь р2 и р3 - весовые коэффициенты частных критериев У4, У5, У6 соответственно.
В ряде случаев задача параметрической оптимизации решается при уже заданной структуре системы, например, при аппаратной модернизации. Для ускорения ввода структуры существующей системы и параметров используемых устройств разработан модуль распознавания чертежей АСКУЭ. При открытии схемы АСКУЭ модулем распознавания чертежей удаляется возможное угловое смещение изображения, а также производится поиск границ рамки чертежа, что позволяет сузить области распознавания и ускорить процесс. Далее осуществляется поиск границ информационно-измерительного комплекса АСКУЭ, подлежащих более детальному распознаванию. В этих границах применяется фильтрация с использованием фильтров Превита, осуществляется поиск областей, которые могли бы содержать текстовую информацию, и выполняется распознавание текста. Результаты распознавания сохраняются в файл, используемый для импорта данных в модуль параметрической оптимизации.
Модуль анализа работы АСКУЭ позволяет оценить последствия отказов устройств при заданных режимах энергопотребления и обмена данных, тем самым определив целесообразность резервирования элементов, изменения режима работы системы, использования другого проектного решения на основании результатов имитационного моделирования работы системы [3]. Анализ последствий отказов может проводиться для каждого устройства в различные отрезки времени с учетом длительности функционирования системы. Моделируются два вида отказов: приводящие к потере данных, сохраненных в элементе памяти отказавшего устройства (повреждение элемента памяти), и не приводящие к их потере (отказ канала связи, интерфейса).
На рисунке 1 представлена схема взаимодействия модулей
ограничения устройств
^Данные о тарифах, режиме передачи данных
программно-методического комплекса для оптимизации систем сбора данных.
Результаты использования комплекса были исследованы на реальной задаче оптимизации АСКУЭ для промышленного объекта, которая имела двадцать точек измерения, четыре точки сигнализации, пять точек управления.
На этапе структурного синтеза исходная структура системы определена на основании минимальных расстояний от УНУ до УСПД. При равной значимости критериев получена структура системы с более равномерным распределением данных (дисперсия при исходной структуре равна 0,04, при оптимальной - 0,004) и их стоимости (дисперсия при исходной структуре равна 0,03, при оптимальной - 0,007) между УСПД. Следует отметить, что из структуры исключено УСПД, отказ которого стал бы критическим для системы. На рисунке 2 представлены диаграммы, отражающие распределение данных (рис. 2а) и их стоимости (рис. 2б) между УСПД АСКУЭ с исходной и оптимизированной структурами.
Й зо
2 3 4 5 6 7
Номер УСПД
а)
Исходная структура
Оптимизированная структура
Номер УСПД
б) Рис. 2
На этапе выполнения параметрического синтеза были оптимизированы параметры устройств измерения, для этого все устройства сгруппированы по равенству параметров, в результате чего по-
лучены две группы устройств - из двенадцати и восьми элементов. Параметры измерительных устройств исходной и оптимизированной систем приведены в таблице.
Оцениваемые параметры Устройства
Группа 1 | Группа 2
Исходная система
Номинальный ток, А 5 5
Номинальное напряжение, В 3*57 230
Стоимость, у.е. 73 614
Время наработки на отказ, ч 90 000 90 000
Интервал усреднения От 1 с От 1 с
Класс точности 1 1
Интерфейс ЯБ-485 ЯБ-485
Оптимизированная система
Номинальный ток, А 5 5
Номинальное напряжение, В 3*57 230
Стоимость, у.е. 58 516
Время наработки на отказ, ч 50 000 50 000
Интервал усреднения 3 мин 3 мин
Класс точности 1 1
Интерфейс ЯБ-485 ЯБ-485
В результате параметрического синтеза удалось подобрать устройства, при использовании которых суммарная стоимость системы была снижена на 10 % по сравнению с начальным вариантом при незначительном увеличении вероятности отказа системы (0,001 %) и при допустимом увеличении длительности интервала усреднения.
При анализе работы проектируемой системы с целью определения целесообразности резервирования ее элементов использовались данные о режиме работы объекта наблюдения. Анализ последствий отказов проводился для каждого УНУ в различные отрезки времени с учетом длительности функционирования системы. Анализировались отказы двух типов: не вызывающие потерю данных, хранящихся в памяти УНУ, и приводящие к их потере. Отказ первого типа считали значимым, если в результате количество потерянных данных или их стоимость составили бы более 0,5 % от количества или стоимости сохраненных на момент возникновения отказа данных. Отказ второго типа считали значимым, если в результате количество потерянных данных или их стоимость составили бы более 20 % от количества или стоимости сохраненных на момент возникновения отказа данных. Приоритетным считался экономический показатель. В результате были выявлены УНУ, отказы которых являются значимыми при заданном режиме работы.
Описанный программно-аппаратный комплекс объединяет все этапы создания АСКУЭ. В рамках каждого этапа осуществляется поиск оптимального решения при множестве критериев оптимальности. Комплекс является инвариантным к типу решаемой задачи и может использоваться при оп-
7о
6о
£ 50
4о
£ 20
10
0
1
70
60
£ 50
I 40
30
20
10
0
2
3
4
5
6
7
тимизации систем технического учета водо- и газоресурсов.
Литература
1. Whitley D. A genetic algorithm tutorial. Statistics and Computing. 1994. Vol. 4. № 2, pp. 65-85.
2. Соболь И.М., Статников Р.Б. Выборы оптимальных параметров в задачах со многими критериями. М.: Наука, 1985. 107 с.
3. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структур сложных систем. М.: Наука, 1985. 173 с.
УДК 004.942:621.396.96
ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕДУРЫ РИЧАРДСА ДЛЯ СИНТЕЗА НЕОДНОРОДНЫХ ЛИНИЙ
Р.В. Бердышев, к.т.н.; Р.Ю. Кордюков; В.Н. Аверкин
(Военная академия ВКО, г. Тверь, [email protected]У> А.В. Куликов (Научно-производственный центр «СПУРТ», г. Москва, [email protected])
Описывается применение спектрального подхода теории неоднородных линий для разработки алгоритма синтеза неоднородных линий (сред) по заданному распределению резонансных и противорезонансных частот на основе процедуры Ричардса. Данный подход используется в фильтрах сверхвысокой частоты и радиопрозрачных укрытиях для обеспечения требований электромагнитной совместимости.
Ключевые слова: электромагнитная совместимость, радиопрозрачные укрытия, неоднородные линии (среды), алгоритм, синтез, оптимизация.
При проектировании новых и эксплуатации существующих радиоэлектронных средств различного назначения одной из основных проблем является электромагнитная совместимость. Это связано с тем, что увеличение количества, многообразия, сложности радиоэлектронных средств, размещенных в локальных территориальных районах, повышение мощности передающих и чувствительности радиоприемных устройств в условиях ограниченного частотного диапазона приводят к резкому ухудшению электромагнитной обстановки в воздухе и на земле. В некоторых случаях радиоэлектронные средства вынуждены работать на совмещенных и смежных частотах, что не обеспечивает приемлемое качество их функционирования. В связи с этим особую актуальность приобретают технические меры обеспечения условий электромагнитной совместимости с помощью фильтрующих систем [1-3].
Основной задачей фильтрующих систем является подавление внеполосных, побочных излучений и излучений на гармониках. Это достигается путем обеспечения требуемой прямоугольности амплитудно-частотной характеристики фильтра в районе основной полосы пропускания, заданной протяженности полосы заграждения и уровня затухания в ней. К электрическим, конструктивным, эксплуатационным, экономическим и другим характеристикам предъявляются жесткие и противоречивые требования [1, 3]. Перечисленное в полной мере относится и к радиопрозрачным укрытиям, так как предъявление дополнительных требований к протяженности их полосы заграждения (ранее это требование не задавалось) для подавле-
ния внеполосных, побочных излучений и излучений на гармониках позволит успешно выполнять задачи электромагнитной совместимости [2, 4].
Стремление обеспечить выполнение условий электромагнитной совместимости, как правило, сопровождается увеличением потерь в полосе пропускания, массо-габаритных показателей и стоимости изделий. Для устранения перечисленных выше противоречий продолжается интенсивный поиск новых решений. В диапазоне сверхвысокой частоты (СВЧ), где фильтрующие системы и радиопрозрачные укрытия строятся на основе отрезков однородных передающих линий (сред), общим недостатком является наличие паразитных полос пропускания, возникающих из-за многоре-зонансности линий и различных паразитных связей [1-3, 5]. Это ограничивает протяженность полосы заграждения и уровень затухания в ней.
Например, расширение полосы заграждения и уровня затухания полосно-пропускающего фильтра (ППФ) обычно достигается за счет применения дополнительных фильтров нижних и верхних частот, полоснозаграждающих фильтров, фильтров гармоник и их комбинаций. Это приводит к расширению полосы заграждения при одновременном увеличении потерь в полосе пропускания основного ППФ, а также массы, габаритов и стоимости фильтрующих систем. Следует учитывать, что возможности известных принципов построения фильтрующих систем на базе однородных линий уже исчерпаны [1].
Успешное решение задач, связанных с построением фильтрующих систем и радиопрозрачных укрытий с заданными свойствами, возможно с
