CC BY
46
© Л.П. Волкова, П.Ю. Панкрушин, 2014
УДК 622.3.338.3
Л.П. Волкова, П.Ю. Панкрушин
ВЫБОР СТРУКТУРЫ ОПЕРАЦИОННОЙ СРЕДЫ САПР СТРУГОВЫХ АГРЕГАТОВ И УСТАНОВОК
Рассмотрены варианты разработки операционной среды САПР струговых агрегатов и установок на базе сетевых и распределенных операционных систем. Определены требования к структуре и составу операционной среды САПР, к структурной организации базовой операционной системы. Описаны возможности многослойного подхода при декомпозиции структуры САПР.
Ключевые слова: операционная среда, струговые агрегаты, струговые установки, структура, системы автоматизированного проектирования, многослойный подход.
Решение задачи перехода к технологии добычи угля без постоянного присутствия человека в очистном забое при дистанционном и автоматическом управлении оборудованием делает актуальной фронтальную поточную технологию выемки угля с применением угледобывающих агрегатов [1]. Такая технология характеризуется тесной конструктивной увязкой в одно целое специальных машин и механизмов, созданных с целью полной механизации основных и вспомогательных процессов, совмещения их во времени и по длине очистного забоя и обеспечения одно-операционного характера работы [1, 2].
На тонких пластах остается актуальной автоматизация струговых установок в аспекте перехода к технологии добычи угля без постоянного присутствия человека в очистном забое при дистанционном и автоматическом управлении оборудованием. Современные методы обоснования рациональных структур, схем и параметров струговых установок (СУ) на базе системного подхода и широкого использования систем автоматизированного проектирования (САПР) позволяют произвести анализ исследуемого объекта и на его основании сде-
лать вывод о требуемой оптимизации параметров [3, 4, 5].
Система автоматизированного проектирования струговых установок позволяет многократно рассчитывать отдельные составляющие объекта проектирования, обосновывать и выбирать оптимальные варианты сочетания параметров. При этом повышается производительность труда проектировщиков, сокращается время проектирования, улучшается качество рабочих проектов. Использование математических моделей в рамках САПР для исследования режимов работы оборудования позволяет не проводить дорогостоящие эксперименты, а проверять параметры разрабатываемых проектных конструкций на моделях. При этом система автоматизированного проектирования включает оборудование и программы с необходимой методической и организационной документацией, а также коллективы людей с помещениями и средствами выполнения работ, организованные оптимальным образом [3, 5, 6].
Основной целью разработки системы автоматизированного проектирования струговых установок является повышение их силовых, режимных и энергетических параметров. Создание струговой установки с такими
оптимальными параметрами позволит существенно повысить производительность струговых установок до и выше уровня отечественных и зарубежных аналогов. Процесс проектирования струговых установок предусматривает определение основных энергетических, механических и конструктивных параметров струговых установок в соответствии с определенной последовательностью, которую можно условно назвать сценарием САПР струговых установок [7].
Известно, что автоматизация проектирования позволяет многократно рассчитывать отдельные составляющие объекта проектирования, обосновывать и выбирать оптимальные варианты. Причем, отличительной чертой технологии автоматизированного проектирования является возможность многоуровневого моделирования функциональных характеристик и конструкции проектного решения. В этом аспекте важную роль играет процесс разработки сценария САПР, который разработан с учетом современных методик расчета параметров струговых установок [7].
Автоматизация проектирования, например, струговой установки связана с разработкой прикладных модулей, состав которых и определяется алгоритмом сценария САПР СУ.
Однако, анализ исследований, связанных с разработкой САПР струговых установок, показывает, что алгоритм сценария должен быть динамическим, т.е. каждый раз синтезироваться на основе анализа состояния объекта проектирования либо модели реального объекта САПР. Если алгоритм реализуется в виде набора модулей, соединяемых в определенной последовательности, то динамический сценарий должен предусматривать возможность выбора оптимального пути соединения модулей на основе анализа результатов проектирования,
полученных на предыдущей стадии проектирования, т.е. на предыдущей траектории прохождения модулей системы автоматизированного проектирования.
При постановке задачи выбора структуры операционной среды для САПР струговых агрегатов и установок затрагиваются многие аспекты. Функционирование САПР как совокупности сложных программных решений происходит внутри операционной среды. В общем случае операционная среда включает операционную систему, программное обеспечение, интерфейсы прикладных программ, сетевые службы, базы данных, языки программирования и другие средства выполнения работы на компьютере -в зависимости от решаемых задач [8]. Основной задачей операционной среды САПР является возможность предоставления доступа и организация удобной бесперебойной работы с программным продуктом САПР, хранение рабочей информации, обеспечение работы по сети для множества сотрудников.
Для САПР струговых установок вариант операционной среды представлен в [9]. Этот вариант изначально основывался на уже имеющемся программном обеспечении, разработанном в соответствии с отраслевыми методиками [7]. При постановке задачи, о которой идет речь в данной работе, необходимо учитывать особенности построения структуры таких сложных сред, рассматривая задачу «сверху вниз». Универсальным и эффективным способом декомпозиции сложных систем любого типа является многослойный подход. В соответствии с этим подходом система состоит из иерархии слоев. Каждый слой обслуживает вышележащий слой, выполняя для него некоторый набор функций, которые образуют межслойный интерфейс. Такая орга-
низация системы существенно упрощает разработку системы, так как позволяет сначала определить «сверху вниз» функции слоев и межслойные интерфейсы, а затем при детальной реализации постепенно наращивать мощность функций слоев, двигаясь «снизу вверх». При модернизации системы можно изменять модули внутри слоя без необходимости производить какие-либо изменения в остальных слоях [10]. В этом плане большое значение имеет свойство открытости разрабатываемой САПР. Открытость подразумевает выделение в системе интерфейсной части, обеспечивающей сопряжение с другими системами или подсистемами [6].
Для реализации такого сложного программного комплекса целесообразно организовать его работу в виде параллельных процессов, которые периодически взаимодействуют друг с другом и обмениваются некоторыми данными. Для оперативного взаимодействия процессов ОС должна предоставлять особые средства. В этом плане в настоящее время технология MPI является основным средством программирования для кластерных систем и параллельных компьютеров с распределенной памятью. Основным способом взаимодействия параллельных процессов в системах является передача сообщений друг другу. Это отражено в названии технологии - Message Passing Interface (интерфейс передачи сообщений). Интерфейс технологии MPI подразумевает не только объединение процессов с различными исходными текстами, но позволяет на практике использовать модель параллельного программирования, в рамках которой для всех параллельных процессов используется один и тот же код [11]. Кроме того, полезным может оказаться и параллельное программирование с использованием технологии OpenMP. Обмен
данными в OpenMP происходит через общие переменные. Поэтому для разграничения одновременного доступа разных нитей к общим данным предусмотрены средства синхронизации, излишнее использование которых может замедлить программу. При этом в многопроцессорных и многоядерных вычислительных системах для повышения быстродействия программы нужно задействовать все доступные пользователю ядра. Для получения параллельной версии необходимо определить ресурс параллелизма программы. Наибольший ресурс параллелизма в программах сосредоточен в циклах, поэтому целесообразно распределение итераций циклов. Причем различные способы распределения итераций позволяют добиваться максимально равномерной загрузки нитей. А если между итерациями цикла нет информационной зависимости, то их можно распределить разным процессорам для одновременного исполнения [12]. Преимущества обеих технологий могут быть использованы в гибридном параллельном программировании в стандартах OpenMP, MPI.
Технология OpenMP и параллелизм на уровне нитей в качестве концепции использована для разработки нового стандарта OpenACC, который является открытым стандартом для создания высокоуровневых гибридных программ без явных передачи и синхронизации данных между процессорами [13]. При реализации программного комплекса САПР струговых агрегатов и установок в условиях достаточного финансирования применение гибридной технологии может быть оправдано, учитывая сложность программного комплекса.
При организации сетевой работы операционная система играет роль интерфейса, экранирующего от пользователя все детали низкоуровневых программно-аппаратных средств сети.
В зависимости от того, какой виртуальный образ создает операционная система для того, чтобы подменить им реальную аппаратуру компьютерной сети, различают сетевые ОС и распределенные ОС. Распределенная ОС, динамически и автоматически распределяя работы по различным машинам системы для обработки, заставляет набор сетевых машин работать как виртуальный унипроцессор. Распределенная ОС существует как единая операционная система в масштабах вычислительной системы. Каждый компьютер сети, работающей под управлением распределенной ОС, выполняет часть функций этой глобальной ОС. Распределенная ОС объединяет все компьютеры сети в том смысле, что они работают в тесной кооперации друг с другом для эффективного использования всех ресурсов компьютерной сети. Степень автономности каждого компьютера в сети, работающей под управлением сетевой операционной системы, значительно выше по сравнению с компьютерами, работающими под управлением распределенной ОС. В результате сетевая ОС может рассматриваться как набор операционных систем отдельных компьютеров, составляющих сеть [10].
Сеть, обеспечивающая взаимодействие компьютеров, может быть построена по одной из трех следующих схем:
- сеть на основе одноранговых узлов - одноранговая сеть;
- сеть на основе клиентов и серверов - сеть с выделенными серверами;
- сеть, включающая узлы всех типов,у гибридная сеть.
Каждая из этих схем обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими их области применения [10].
Возможности самой операционной системы доступны прикладному про-
граммисту в виде набора функций, называющегося интерфейсом прикладного программирования (Application Programming Interface, API). При разработке приложений все особенности конкретной операционной системы представлены особенностями ее API. Поэтому операционные системы с различной внутренней организацией, но с одинаковым набором функций API похожи, что упрощает стандартизацию операционных систем и обеспечивает переносимость приложений между внутренне различными ОС, соответствующими определенному стандарту на API.
Известен подход, реализуемый при управлении технологическим процессом в АСУ ТП, когда управление одними автоматами может осуществляться при помощи других. Этот подход позволяет свести задачу управления каким-либо объектом к управлению оборудованием. Но при этом новое состояние оборудования является дополнительной целью, которую не следует смешивать с основной целью - новым состоянием управляемого процесса. В этом аспекте САПР (система автоматизированного проектирования) - это АСУ, целью управления в которой является готовый проект некоторого создаваемого объекта, а объектом управления - процесс детализации этого проекта в ходе его получения. Основным управлением в САПР тогда будет проектирование, а под проектом следует понимать модель цели первого вида, которая обеспечивает человека информацией, достаточной для достижения данной цели [14]. Такой подход может быть полезен при обобщенном синтезе структуры САПР струговых агрегатов и установок и последующем анализе уже разработанной системы, например, в аспекте ее развития или модернизации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кантович Л.И., Пастоев И.Л. Проблема управляемости автоматизированных агрегатов и комплексов при работе на пологих пластах без присутствия людей в забое // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2010. Отдельный выпуск № 1. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2010». С. 410-420.
2. Панкрушин П.Ю. Разработка программы расчета параметров при управлении фронтальным струговым агрегатом в плоскости пласта // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. Отдельный выпуск № 6 «Информатизация и управление». Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2011». С. 631-644.
3. Волкова Л.П. Исследование динамики струговых установок на модели в условиях переменной жесткости рабочей ветви цепи // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. Отдельный выпуск № 6 «Информатизация и управление». Труды научного симпозиума «Неделя горня-ка-2011». С. 552-566.
4. Волкова Л.П. Перспективы применения информационных технологий при создании роботизированных комплексов для выемки угля / Проблемы характеризаци-онного анализа и логического управления: акад. сб. науч. трудов. М. 1999.
5. Волкова Л.П. О применении интеллектуальных технологий в системах управ-
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
ления электроприводом струга // Информационная математика. 2005. № 1.
6. Норенков И. П. Основы автоматизированного проектирования. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. 448 с.
7. Волкова Л.П., Разумов М.В. Разработка алгоритма сценария для САПР струговых установок // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2003. № 8.
8. Бибарсов М.Р., Бибарсова Г.Ш., Кузь-минов Ю.В. Операционные системы, среды и оболочки. Ставрополь. 2010.
9. Волкова Л.П., Костин В.Н., Медноно-гов А.И., Панкрушин П.Ю. Автоматизированное проектирование струговых установок // Информационная математика. 2009. № 17.
10. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. Учебник для вузов. СПб.: ПИТЕР, 2003. 544 с.
11. Антонов А. С. Параллельное программирование с использованием технологии MPI: Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 2004. 71 с.
12. Антонов А.С. Параллельное программирование с использованием технологии OpenMP: Учебное пособие. М.: Издательство МГУ, 2009. 77 с.
13. Суперкомпьютеры. 2012. № 3(11). С. 50-55.
14. Кондаков А.И. САПР технологических процессов и производств. ACADEMA. 2007. ЕШ
Волкова Людмила Петровна - кандидат технических наук, доцент, e-mail: [email protected], Панкрушин Петр Юрьевич - преподаватель, e-mail: [email protected], Московский государственный горный университет.
UDC 622.3.338.3
CHOICE OF STRUCTURE OF AN OPERATIONAL ENVIRONMENT OF SAPR OF STRUGOVY UNITS AND INSTALLATIONS
Volkova L.P., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, e-mail: [email protected], Pankrushin P.Ju., Lecturer, e-mail: [email protected], Moscow State Mining University.
Options of development of an operational environment of SAPR of strugovy units and installations on the basis of the network and distributed operating systems are considered. Requirements to structure and structure of an operational environment of SAPR, to the structural organization of a basic operating system are defined. Possibilities of multilayered approach are described at decomposition of structure of SAPR.
Key words: operational environment, strugovy units, strugovy installations, structure, systems of the automated design, multilayered approach.
REFERENCES
1. Kantovich L.I., Pastoev I.L. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', Otdel'nyj vypusk no 1, Trudy nauchnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2010», 2010, pp. 410-420.
2. Pankrushin P.Ju. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', Otdel'nyj vypusk no 6 «Informatizacija i upravlenie», Trudy nauchnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2011», 2011, pp. 631-644.
3. Volkova L.P. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', Otdel'nyj vypusk no 6 «Informatizacija i upravlenie». Trudy nauchnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2011», 2011, pp. 552-566.
4. Volkova L.P. Problemy harakterizacionnogo analiza i logicheskogo upravlenija, Akademicheskij sbornik nauchnyh trudov (Prospects for information technologies in robotic coal extraction machine complex, Problems of Characterization Analysis and Logical Control: Academy Collection of Scientific Papers), Moscow, 1999.
5. Volkova L.P. Informacionnaja matematika, 2005, no 1.
6. Norenkov I.P. Osnovy avtomatizirovannogo proektirovanija (Computer-Aided Design Baseline), Moscow, Izdatel'stvo MGTU im. N.Je. Baumana, 2006, 448 p.
7. Volkova L.P., Razumov M.V. Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten', 2003, no 8.
8. Bibarsov M.R., Bibarsova G.Sh., Kuz'minov Ju.V. Operacionnye sistemy, sredy i obolochki (Operating Systems, Environments and Shells), Stavropol, 2010.
9. Volkova L.P., Kostin V.N., Mednonogov A.I., Pankrushin P.Ju. Informacionnaja matematika, 2009, no 17.
10. Olifer V.G., Olifer N.A. Setevye operacionnye sistemy, Uchebnik dlja vuzov (Network Operating Systems. College Textbook), Saint-Petersburg, PITER, 2003, 544 p.
11. Antonov A.S. Parallel'noe programmirovanie s ispol'zovaniem tehnologii MPI, Uchebnoe posobie (Concurrent Programming Using MPI Technology: Educational Aid), Moscow, Izdatel'stvo MGU, 2004, 71 p.
12. Antonov A.S. Parallel'noe programmirovanie s ispol'zovaniem tehnologii OpenMP, Uchebnoe posobie (Concurrent Programming Using OpenMP Technology: Educational Aid), Moscow, Izdatel'stvo MGU, 2009, 77 p.
13. Superkomp'jutery, 2012, no 3(11), pp. 50-55.
14. Kondakov A.I. SAPR tehnologicheskih processov i proizvodstv (CAD Software for Engineering Processes and Production Operations), ACADEMA. 2007.
Уголь мира. Том III. Уголь Евразии
Б.М. Воробьев 2013 г. 752 с.
ISBN: 978-5-98672-348-8 UDK: 622.33
Настоящее издание - III том монографического сериала «Уголь мира». Освещаются основные аспекты состояния и развития угледобычи и углепотребления в страновом разрезе в Европе и Азии. Специальная часть посвящена угольной промышленности России. Описывается ресурсная база угольной промышленности отдельных стран, бассейнов и месторождений. Рассматривается международная торговля углем и особенно экспортно-импортной активность отдельных стран Евразии на мировом рынке угля. Показаны динамика потребления угля и области его использования. Для широкого круга научных и практических работников, студентов, слушателей и аспирантов, интересующихся проблемами угольной промышленности и углеэнергетики.
ГОРНАЯ КНИГА
том ш УГОЛЬ ЕВРАЗИИ
