Анализ информационной избыточности технорабочих проектов автоматизированных систем

УДК 65.011.56

П.Ю. Сокольчик, О.В. Антипина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННОЙ ИЗБЫТОЧНОСТИ ТЕХНОРАБОЧИХ ПРОЕКТОВ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Автоматизированные системы, в том числе автоматизированные системы управления технологическими процессами, интегрированные системы управления, а также процесс разработки этих систем содержат большое количество разнородных данных, элементарных процессов и операций. С целью оптимизации, повышения качества работ и в конечном итоге удешевления конечного результата с уменьшением времени, необходимого для внедрения, используются различные подходы, шаблоны и методики разработки, закрепленные в стандартах и других нормативных документах. В наиболее распространенных стандартах на проектирование автоматизированных систем в части технорабочего проекта, эксплуатационных документов существует информационная избыточность, которая повышает надежность восприятия информации, но затрудняет разработку систем и увеличивает время, необходимое для подготовки и согласования документации в проектной организации. При рассмотрении автоматизированной системы как продукции для управления ее жизненным циклом используются современные информационные системы, возможности которых можно также использовать для снижения трудоемкости проектирования, возникающей вследствие избыточности информации. Исправление ошибок в одних документах проекта приводит к необходимости перерабатывать другие документы, что в отсутствие систематизации повышает трудоемкость правки. В статье представлен анализ информационных блоков технорабочего проекта, определяющих избыточность информации проектной документации автоматизированных систем, и представлен подход, снижающий нагрузку на инженеров - проектировщиков системы. Результатом является систематизация и представление избыточных информационных блоков в виде графа, используемого при конфигурировании РВМ-системы. Рассмотрены возможности РБМ-и РЬМ-систем по снижению затрат при изменении взаимозависимых блоков информации технорабочего проекта.

Ключевые слова: проектирование, АСУТП, технический проект, рабочий проект, РБМ, обеспечение АСУТП, жизненный цикл АСУТП.

P.Yu. Sokolchik, O.V. Antipina

Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation

ANALYSIS OF INFORMATIONAL REDUNDANCY IN DETAILED DESIGN OF AUTOMATED SYSTEMS

Automated systems, including systems of automatic manufacturing process control, integrated control systems, as well as the procedure of designing of these systems, contain a big number of diverse data, elementary processes and operations. For optimization, increasing the quality of works, and in the endfor the reducing of the costs of eventual result and the period of time for adoption, different approaches, patterns and engineering techniques (stated in standards and in other normative documents) are used. There is an informational redundancy in the most widespread standards for projecting of automatic systems in the section of detailed design and operational documents, which raises the reliability of information perceiving, but impedes the development of the systems and increases the period of time needed for document preparation and endorsement in the designing organization. In consideration of automatic system as a product, modern data systems are used to control its life cycle. Performance capabilities of these modern systems can be also used for decreasing of designing labour-intensiveness, that arises due to informational redundancy. Correction of errors in one part of documents leads to a necessity to make corrections in other remaining documents, and this, due to the absence of systematization raises the labour-intensiveness of correcting. In this article the analysis of informational blocks of detailed design, which define the informational redundancy of engineering documentation of automatic systems is presented along with the approach, that decreases the workload of system design engineers. The result is the systematization and representation of redundant informational blocks as a graph, which is used in PDM systems configuration. The capabilities of PDM and PLM systems for decreasing of inputs during the correcting of correlated informational blocks of detailed design are examined

Keywords: design, automatic process control systems, technical project, work project, PDM, ensuring of automatic process control systems, life cycle of automatic process control systems.

Проектирование современных автоматизированных систем (АС) -это сложный, распределенный во времени процесс, в котором необходимо учитывать большое количество разнородных данных и понятий. АС состоит из различных подсистем, решающих разноплановые задачи. Процесс проектирования выполняется группами специалистов по данным подсистемам. Реализация проекта также представляется в виде

комплекса задач, поэтому при разработке АС актуальна формализация двух аспектов. Во-первых, АС рассматривается в виде совокупности нескольких видов обеспечения: технического, информационного, программного (системного и прикладного; математического и алгоритмического), метрологического, лингвистического, организационного. Во-вторых, секционируется процесс разработки во времени, с распределением работ между участниками процесса разработки.

В настоящее время регламентация этих задач применительно к АС представлена в различных стандартах1. Автоматизированную систему необходимо рассматривать как сложное изделие, поэтому для описания жизненного цикла АС можно использовать те же стандарты, что и для других сложных изделий, например такие, как STEP (ISO 10303), определяющие средства описания (моделирования) промышленных изделий на всех стадиях их жизненного цикла.

ISO 10303 (неофициальное название STEP - Standart, Exchange, Product) - международный стандарт для компьютерного представления и обмена данными о продукте. Цель этого стандарта заключается в том, чтобы дать нейтральный механизм описания данных о продукте на всех стадиях его ЖЦ, не зависящий от конкретной системы. Такое описание позволяет применять его не только для нейтрального файла обмена, но и в качестве базиса для реализации и распространения баз данных о продукте, а также для архивирования. В данном случае под продуктом необязательно понимать материальный продукт производства - продуктом считается результат любого процесса. При этом информационная интеграция процессов предусматривает однократное создание и многоразовое использование общих данных, переход к безбумажной электронной технологии с использованием электронно-цифровой подписи, что значительно упрощает доступ к информации, ее хранение, преобразование и передачу, сокращает объемы используемой бумаги и приводит к уменьшению временных и общих материальных затрат.

1 ГОСТ 34.321-96. Информационные технологии. Система стандартов по базам данных. Эталонная модель управления данными; ГОСТ 34.003-90. ИТ. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения; ГОСТ 34.201-89. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем; ГОСТ 34.320-96. Информационные технологии. Система стандартов по базам данных. Концепции и терминология для концептуальной схемы и информационной базы; ГОСТ РВ 51987-2002. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Типовые требования и показатели качества функционирования информационных систем. Общие положения.

Большое значение приобретает стандартизация способов представления, хранения и обмена данными с целью того, чтобы информация об изделии, возникающая на каком-либо этапе ЖЦ, могла использоваться и дальше. Информация об изделии - это набор данных, которые порождаются и используются во всем его ЖЦ и включают в себя информацию о конфигурации и структуре изделия, характеристики и свойства, организационную информацию (описание процессов, связанных с изменением данных об изделии, необходимые ресурсы), информацию о проведенных контрольных испытаниях, документы, которыми обрастает изделие с момента его проектирования до продажи и дальнейшего обслуживания, и т.д.

Жизненный цикл продукции согласно ИСО 10303 включает следующие шаги по созданию изделия:

- выявление и анализ потребностей;

- изучение выполнимости;

- определение системы;

- разработка и конструирование;

- производство;

- развертывание;

- эксплуатация и обслуживание;

- уничтожение.

Несмотря на некоторые явные преимущества вышеуказанного подхода, в нашей стране для разработки АС наибольшее распространение получил канонический способ проектирования, лучше всего представляемый в виде каскадной модели. Подход основан на логичном, взаимоувязанном, актуальном стандарте ГОСТ 34.601-90, который рассматривает жизненный цикл как взаимоувязанные во времени отдельные стадии (формирование требований к АС, разработка концепции АС, техническое задание, эскизный проект, технический проект, рабочая документация, ввод в действие, сопровождение АС). Увязка по подсистемам в стандарте подробно не рассматривается, поэтому для оформления результатов проектных работ формируются документы, установленные ГОСТ 34.201-89 «Виды, комплектность и обозначение документов при создании автоматизированных систем», в котором разрабатываемые решения группируются по видам обеспечения: общесистемные решения, организационное, техническое, информационное, программное, математическое [1, 2].

Такой подход логичен, удобен и привычен для всех участников процесса (в том числе проектных организаций) и обеспечивает решение всех поставленных задач. Но он имеет и недостатки, а именно требование

оформлять документы, сгруппированные по различным видам обеспечения и описывающие принятые решения в разных подсистемах, приводит к многочисленному дублированию отдельных элементов проекта в разных документах, например название системы встречается во всех документах. Каноническое проектирование на отдельных этапах содержит элементы модели разработки «сверху вниз», которая содержит рассматриваемый недостаток - избыточное количество конечных решений.

Современные методы управления процессами жизненного цикла продукции (в нашем случае АС) на основе систем PDM (Product Data Management), PLM (Product Lifecycle Management), а также СЭД (систем электронного документооборота) позволяют при сохранении традиционных подходов проектирования и разработки АС, которые в настоящее время актуальны и общеприняты, избавиться от некоторых присущих этим подходам недостатков, в том числе избыточности информационных модулей в технорабочем проекте.

Для разработки решения по устранению избыточности информации был введен термин «информационный модуль», который обозначает минимальный блок увязанной информации, который может быть вычленен в разрабатываемом документе, описывающем то или иное проектное решение. Далее был произведен анализ избыточных модулей информации. Выполненный анализ схематично представлен на рис. 1.

В таблице представлены информационные модули и их вхождение в документы проекта.

Перечень информационных модулей и количество их вхождений в документы технорабочего проекта

Информационный модуль Вхождение информационного модуля Кол-во появлений

Перечень всех документов ТП, ПМ 2

Наименование АСУТП и наименования документов, на основании которых ведется проектирование АСУТП П2, П3, ПД, ПМ, ПС, ФО, П9, ИЭ, И3, ПБ 10

Цели, назначение и области использования АСУТП П2, П3, ПД, ПМ, ПС, ФО, ИЭ, И3, ПБ 9

Сведения об использованных при проектировании НТД П2, ПМ 2

Состав процедур, обеспечивающих взаимосвязь и совместимость процессов автоматизированной и неавтоматизированной деятельности П2, П3, ПС, ФО, П9 5

Требования к организации работ в условиях функционирования АСУТП П2, ФО, ПБ 3

Продолжение таблицы

Информационный модуль Вхождение информационного модуля Кол-во появлений

Решения по структуре системы, подсистем, средствам и способам связи для информационного обмена между компонентами системы, подсистем П2, ПД, ПС, П9, П5 5

Решения по взаимосвязям АСУТП со смежными системами, обеспечению ее совместимости П2, П3, ПС, ФО, П5 5

Решения по режимам функционирования, диагностированию работы системы П2, ПД, ПМ, ПС, ФО, ИЭ 6

Решения по численности, квалификации и функциям персонала АСУТП, режимам его работы, порядку взаимодействия П2, П4, П9, ПВ, СО 5

Состав функций и комплексов задач, реализуемых системой П2, П3, ПД, ФО 4

Решения по КТС, его размещению на объекте П2, ПМ, ФО, П9, С7, С1 6

Решения по составу информации, объему, способам ее организации, видам машинных носителей, входным и выходным документам и сообщениям и другим компонентам П2, П4, ФО, В1, В2, П5, П6, П8, И1 9

Решения по составу программных средств, языкам деятельности, алгоритмам процедур и операций и методам их реализации П2, ФО, ПА 3

Мероприятия по приведению информации к виду, пригодному для обработки средствами АСУТП П2, П5 2

Мероприятия по обучению и проверке квалификации персонала П2, ПМ, ИЭ 3

Мероприятия по созданию необходимых подразделений и рабочих мест П2, П4, ПВ 3

Перечень подсистем АСУТП с указанием функций и задач, реализуемых в каждой подсистеме П3, ПД 2

Пояснения к разделению автоматизированных функций на действия, выполняемые техническими средствами и человеком П3, П4, СО 3

Перечень типовых решений с указанием функций, задач, комплексов задач, для выполнения которых они применены П3, ПД 2

Должности лиц и наименования подразделений, определяющих условия и временные характеристики конкретного решения задачи П2, П4, ИЭ, ПВ, СО, И3 6

Общий регламент и режимы функционирования АСУТП и сведения о возможности изменения режимов ее работы ПС, ИЭ, ПВ 3

Описание принципов функционирования АСУТП, регламент и режимы функционирования ФО, ИЭ, ПВ 3

Перечень эксплуатационных документов ФО, ИЭ, И3 3

Вхождение Кол-во

Информационный модуль информационного появ-

модуля лений

Данные о надежности элементов АСУТП, учитываемые при расчете надежности системы Б1, П9 2

Описание функционирования КТС, в том числе в пусковых и аварийных режимах П9, ИЭ, ПА З

Состав и квалификация персонала, допускаемого к эксплуатации оборудования ИЭ, СО, ИЗ З

Порядок проверки знаний персонала и допуска его к работе ИЭ, ПВ, ИЗ З

Перечень входных сигналов РСУ В1, П6, ИЗ З

Перечень выходных сигналов РСУ В1, П6, ИЗ З

Перечень входных сигналов ПАЗ В2, П6, ИЗ З

Перечень выходных сигналов ПАЗ В2, П6, ИЗ З

Перечень сигналов взаимодействия системы управления с системой ПАЗ В10, ПА, ПБ, ИЗ 4

Принципы организации информационного обеспечения системы П5, П6, И4, ПА 4

Обоснование выбора типа носителей данных и

принципы распределения информации по ти- П5, П6, И4 З

пам носителей

Описание общих требований к организации

сбора, передачи, контроля и корректировки информации П5, П6 2

Описание структуры информационной базы П5, П6, П8, ИЗ 4

Правила подготовки данных И4, ИЗ 2

Порядок и средства заполнения баз данных И4, ИЗ 2

Процедуры изменения и контроля баз данных И4, ИЗ 2

Редактирование конфигурации ПА, И1, ИЗ З

Выполнение функций самодокументирования ПА, И1, ИЗ З

Примечание: ТП - ведомость проекта; П2 - пояснительная записка к проекту; П3 - описание автоматизируемых функций; П4 - описание постановки задач; ПД -общее описание системы; ПМ - программа и методика испытаний; ПС - паспорт; ФО -формуляр; Б1 - проектная оценка надежности системы; П9 - описание комплекса технических средств; С7 - план расположения оборудования; С1 - схема структурная комплекса технических средств; ИЭ - инструкция по эксплуатации и обслуживанию КТС; В1 - перечень входных и выходных сигналов РСУ; В2 - перечень входных и выходных сигналов ПАЗ; В10 - перечень сигналов взаимообмена РСУ-ПАЗ; П5 - описание информационного обеспечения системы; П6 - описание организации информационной базы; П8 - описание массивов исторических данных; И4 - инструкция по формированию и ведению базы данных; ПА - описание стандартного программного обеспечения; И1 - методы и средства разработки; ПБ - описание и логические схемы алгоритмов; ПВ - описание организационной структуры; СО - схема организационной структуры; ИЗ - руководство пользователя.

Рис. 1. Пример структуры вхождения информационных модулей проекта в документы проекта АС: 2 - число повторений информационных модулей

Информационные модули повторяются в различных документах, описывающих различные виды обеспечения. При вероятной правке и внесении изменений в один из документов проекта, содержащий «кратный» информационный модуль, необходимо контролировать изменение этого информационного модуля в других частях проекта. Такой контроль чаще всего проводится в ручном режиме, что приводит к необоснованно-

му увеличению времени на разработку и вероятному возникновению ошибки. Изменение документации усложняется большим количеством участников проекта, среди которых видоизменение информационного модуля должно быть синхронизировано. Для решения этой задачи в автоматическом режиме можно использовать возможности РБМ-систем, внедряемых для поддержания жизненного цикла АС.

Например, при корректировке информационного модуля «Требования к организации работ в условиях функционирования АСУТП» необходимо рассмотреть следующую ситуацию. Этот информационный модуль создается в пояснительной записке к проекту (П2) и далее используется в документах «Описание и логические схемы алгоритмов» (ПБ) и «Формуляр» (ФО). Информационные модули формуляра, содержащие требования к организации работ в условиях функционирования АСУТП, появляются еще в трех документах: «Инструкция по эксплуатации и обслуживанию КТС» (ИЭ); «Описание организационной структуры» (ПВ) и «Руководство пользователя» (ИЗ). Информация, представленная в ИЭ частично используется в схеме организационной структуры (СО). Целиком ситуация представлена в виде дерева изменений (рис. 2).

При необходимости внесение изменений в информационный модуль «Требования к организации работ в условиях функционирования АСУТП» приводит к корректировке его и в последующих документах. Исправление информационного модуля нетрудоемко, но отслеживание и изменение его в других документах требует времени. Пример возможной реализации рассмотрен на базе РБМ-системы, как универсальной и минимально необходимой.

Система выполняет основные в документацию на примере изменений функции: управление хранени- информационного модуля «Требования ем данных и документов, уп- к °ргангоации раб°т в условиях равление процессами, управле- функци°нир°вания АСУТП»

Рис. 2. Внесение изменений

ние структурой изделия, классификация, календарное планирование. СЭД не учитывает вопросы комплектации, обслуживания и другие, а PLM-система сама создается на базе PDM. Для оптимизации работ по проектированию основные информационные модули приводятся во взаимосогласованной системе и являются доступными для всех участников разработки в виде категорий PDM-системы. Даже при внесении изменений в ручном режиме это дает возможность уменьшить количество ошибок и сократить время корректировки за счет оперативности и наглядности информации. Уже существующий модуль необходимо скопировать из соответствующей категории PDM-системы, выполнив при необходимости нужную корректировку (рис. 3).

+ В1 : Перечень входных и выходных сигналов РСУ

0 []) BIO : Перечень сигналов взаимообмена РСУ-ПАЗ

В Q  Б2 : Перечень входных и выходных сигналов ПАЗ

S  Q  И4 : Инструкция по формированию и ведению базы данных

0 D  П5 : Описание информационного обеспечения системы

+   П6 : Описание организации информационной базы

В Q  П8 : Описание массивов исторических данных

В Q  ПВ : Описание организационной структуры

В Q  ПА : Описание стандартного программного обеспечения ± D  ПБ : Описание и логические схемы алгоритмов

Рис. 3. Фрагмент настройки PDM-системы, использующий информационные модули в проектировании

Такой подход позволит значительно уменьшить временные и трудовые затраты, снизить вероятность ошибки в проектной документации. В случае применения шаблонов документов с ссылками на информационные модули, входящие в их состав, и при заполнении/изменении информационного модуля вероятность ошибки снижается еще больше.

Список литературы

1. Федоров Ю.Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств: в 2 т. Т. 1. Методология. - М.: СИНТЕГ, 2006. - 720 с.

2. Федоров Ю.Н. Основы построения АСУТП взрывоопасных производств: в 2 т. Т. 2. Проектирование. - М.: СИНТЕГ, 2006. - 632с.

References

1. Fedorov Y.N. Osnovy postroeniya ASUTP vzryvoopasnykh proizvodstv. Tom. 1. Metodologiya [Fundamentals of building control systems hazardous areas. Vol. 1. Methodology]. Moscow: SINTEG, 2006, 720 p.

2. Fedorov Y.N. Osnovy postroeniya ASUTP vzryvoopasnykh proizvodstv. Tom. 2. Proektirovanie [Fundamentals of building control systems hazardous areas. Vol. 2. Design]. Moscow: SINTEG, 2006, 632 p.

Получено 15.06.2013

Сведения об авторах

Сокольчик Павел Юрьевич (Пермь, Россия) - кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации технологических процессов, заместитель декана по заочному отделению химико-технологического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: psokol@pstu.ru).

Антипина Ольга Валерьевна (Пермь, Россия) - студентка кафедры автоматизации технологических процессов Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29; e-mail: Antipina-ov@mail.ru).

About the authors

Sokolchik Pavel Yurevich (Perm, Russian Federation) - Ph.D. of Technical Sciences, Docent, Deputy Dean of the Correspondence Department of Chemical Faculty, Department of Automation Technoloigical Processes, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; email: psokol@pstu.ru).

Antipina Olga Valerevna (Perm, Russian Federation) - Student, Department of Automation Technoloigical Processes, Perm National Research Polytechnic University (Komsomolsky av., 29, Perm, 614990, Russian Federation; e-mail: Antipina-ov@mail.ru).