Метод и язык моделирования интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами

1. WascherG., HaubnerH., SchumannH. An improved typology of cutting and packing problems//

European Journal of Operational Research. 2007. Vol. 183, N. 3. P. 1109-1130.

2. Оптимизационные проблемы транспортной логистики: оперативное размещение контейнеров

при транспортировке грузов / МухачеваЭ.А. [идр.] // Информационные технологии. 2008. № 7. С. 17-22.

З.Чеканин В.А., Чеканин А.В. Модель размещения объектов в задаче контейнерной ортогональной упаковки // Инновационные информационные технологии: Материалы международной научно-практической конференции. Том 3. - М. : МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013.-С. 418-420.

4. Митрофанов В.Г., Капитанов А.В., Гришина Т.Г. Цикл выработки и обоснованность принятия

решений при управлении автоматизированным производством // Инновации. 2013. № 10(180). С. 23-27.

5. GareyM., Johnson D. Computers intractability: a guide to the theory of NP-completeness. -

San Francisco: W.H. Freeman, 1979. - 338 p.

6. Валеева А.Ф. Применение метаэвристики муравьиной колонии к задачам двумерной упаковки

// Информационные технологии. 2005. № 10. С. 36-43.

7. Чеканин А.В., Чеканин В.А. Алгоритмы эффективного решения задачи ортогональной

упаковки объектов // Журнал вычислительной математики и математической физики. 2013. Т. 53. № 10. С. 1639-1648.

8. Чеканин В.А., Ковшов Е.Е. Систематизация и анализ структур данных при автоматизации

управления склада на основе генетических алгоритмов // Вестник высших учебных заведений. Проблемы полиграфии и издательского дела. 2008. № 5. С. 42-51.

9. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Алгоритм решения задач ортогональной упаковки объектов на

основе мультиметодной технологии // Информационные технологии. 2013. № 7. С. 17-21.

10. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Исследование генетических методов оптимизации распределения прямоугольных ресурсов // Современное машиностроение. Наука и образование: Материалы 2-й Международной научно-практической конференции / Под ред. М.М. Радкевича и А.Н. Евграфова. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. - C. 798-804.

11. Crainic T.G., Perboli G., Tadei R. Extreme point-based heuristics for three-dimensional bin packing // INFORMS Journal on Computing. 2008. Vol. 20, N. 3. P. 368-384.

12. Chekanin A.V., Chekanin V.A. Improved packing representation model for the orthogonal packing problem // Applied Mechanics and Materials. 2013. Vol. 390. P. 591-595.

13. Chekanin V.A., Chekanin A.V. Multilevel linked data structure for the multidimensional orthogonal packing problem // Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol. 598. P. 387-391.

14. Чеканин В.А., Чеканин А.В. Модели конструирования ортогональной упаковки объектов // Информационные технологии и вычислительные системы. 2014. № 2. С. 37-45.

15. Лафоре Р. Объектно-ориентированное программирование в С++. 4-е изд. - СПб.: Питер, 2011.-928 с.

УДК 004.942

МЕТОД И ЯЗЫК МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Дмитриев Вячеслав Михайлович, д.т.н., профессор, зав кафедрой Моделирования и системного анализа Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Россия,

Томск, dmitriewvm@gmail.com

Ганджа Тарас Викторович, к.т.н., доцент кафедры Моделирования и системного анализа Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, Россия, Томск,

gandgatv@gmail.com

Введение

Промышленное оборудование предприятий нефтегазовой промышленности

44

относится к классу сложных технологических объектов (СТО) [1], допускающих декомпозицию на взаимосвязанные элементы и аппараты химической промышленности, между которыми циркулируют мультифизические энергетические и многокомпонентные вещественные потоки. В настоящее время для управления такими СТО применяются автоматизированные системы управления с программным обеспечением в виде SCADA-систем, в которых функция выработки и применения управляющих воздействий, направленных на установление желаемого режима функционирования объектов, полностью возлагается на оператора. Сложность принятия управленческих решений вызвана зависимостью характеристик протекающих в СТО процессов от параметров и характеристик окружающей среды, а также их многофакторным воздействием на ее объекты. Такое взаимодействие усложняет принятие управленческих решений.

Для автоматизации этих процессов в настоящее время вводятся в эксплуатацию интеллектуальные системы управления (ИСУ). Их основным назначением является автоматизация процесса принятия управленческих решений за счет применение баз данных, баз знаний, средств автоматизации математических вычислений, компьютерного моделирования и т.п. Наибольшего эффекта в управлении СТО предприятий НГП можно добиться, интегрировав различные средства автоматизации принятия управленческих решений в единый программно-алгоритмический комплекс. Он должен позволять в графическом виде формировать модель управляемого объекта для целей ее автоматизированного анализа, алгоритм функционирования интеллектуальных систем управления (далее алгоритм интеллектуального управления), в котором задействуются базы данных параметров и характеристик реального объекта, а также осуществляется взаимодействие с реальным объектом с помощью измерительно-управляющих контроллеров. Для визуализации данных измерений и результатов моделирования такой программноалгоритмический комплекс должен обладать развитой системой виртуальных инструментов и приборов, позволяющей формировать панели визуализации интерактивного управления. Кроме того, он должен обладать развитой системой протоколирования и документирования процесса функционирования ИСУ. Интеграция таких средств может быть осуществлена только в программном комплексе, объединяющем в себе:

• средства математического моделирования СТО с протекающими в них непрерывными процессами преобразования информационных, энергетических и многокомпонентных вещественных потоков;

• возможности имитационного моделирования дискретно-событийных систем, к классу которых относятся алгоритмы интеллектуального управления, работа которых основана на многократном анализе моделей СТО при различных значениях параметров ее компонентов;

• компоненты визуализации и интерактивного управления параметрами модели и управляющими воздействиями на реальные объекты управления.

1. Основные положения метода многоуровневого компьютерного моделирования

Для реализации ИСУ СТО предприятий НГП предложен и разработан метод многоуровневого компьютерного моделирования (метод МКМ). Согласно ему ИСУ СТО представляется в виде многоуровневой компьютерной модели (КМ), расположенной на трех взаимосвязанных уровнях. Под уровнем представления модели (уровнем моделирования) понимается степень абстракции, способ представления и обработки информации об исследуемом СТО, его моделях, методах обработки данных, средствах визуализации промежуточных и итоговых результатов.

Многоуровневая КМ, предназначенная для формирования ИСУ СТО, представляется следующими взаимосвязанными уровнями (рис. 1):

45

• объектным уровнем (O _ L), включающем в себя КМ СТО и реальный СТО,

подлежащий интеллектуальному управлению;

• логическим уровнем (L _ L), на котором отображается имитационная модель алгоритма функционирования СТО в виде алгоритмической КЦ;

• визуальным уровнем (V _ L) отображения информации о текущих результатах

выполнения различных шагов алгоритма ИУ. Он реализует панель визуализации и интерактивного управления в виде совокупность визуальных компонентов, включающей компоненты-визуализаторы и управляющие компоненты.

Управляющие воздействия на СТО (параметры исполнительных устройств) Р0 R

Результаты

моделирования

Vqm

Рис. 1 - Структура многоуровневой компьютерной модели

Межуровневые взаимодействия реализуются за счет передачи: результатов

моделирования VO M и измерения VO R с объектного на логический уровень многоуровневой

КМ ИСУ СТО; данных, подлежащих визуализации, VL с логического уровня на визуальный; значений команд управления Cl с визуального уровня на логический; управляющих воздействий PO R и параметров компьютерной модели СТО PO M с логического на

объектный уровень. Получаемые на различных этапах работы многоуровневой КМ ИСУ СТО результаты с помощью компонентов множества KD могут быть переданы в систему документирования [4].

Методологической основой МКМ является метод компонентных цепей (МКЦ) [2], основными понятиями которого является понятие компонента, как неделимого элемента рассматриваемого объекта или системы, обладающего связями с другими элементами, и компонентной цепи (КЦ), представляющей собой совокупность взаимосвязанных компонентов, каждому из которых ставится в соответствие определенная математическая модель. Формирование КЦ исследуемого объекта, состоящей из компонентов, осуществляется на основе его компьютерной модели (КМ), сформированной в графическом редакторе путем нанесения компонентов и организации связей между ними. Компонентная цепь, являясь вычислительной моделью исследуемого объекта или системы, передается

46

универсальному вычислительному ядру [3], где производится ее анализ в статическом или динамическом режиме во временной или частотной области.

2. Метаязык многоуровневого компьютерного моделирования

Формирование многоуровневой КМ ИСУ СТО в формате метода многоуровневого компьютерного моделирования осуществляется пользователем графически на метаязыке многоуровневого компьютерного моделирования, который объединяет в себе три языка, являющиеся его подъязыками:

1. язык моделирования сложных технологических объектов (язык СТО), позволяющий на объектном уровне МКМ ИСУ СТО представить компьютерную модель СТО в графическом виде;

2. язык моделирования алгоритмических конструкций (язык МАК), являющийся расширением языка моделирования математических выражений, позволяющим формировать принадлежащие алгоритмическому уровню МКМ ИСУ СТО модели алгоритмов интеллектуального управления;

3. язык построения виртуальных инструментов и приборов (язык ВИП), предназначенный для формирования и функционирования виртуальных инструментов и приборов (ВИП), к числу которых относятся панели визуализации и интерактивного управления ИСУ СТО.

Формально язык МКМ представлен в виде объединения перечисленных языков:

ЯзыкМКМ =

Для формирования многоуровневой КМ ИСУ СТО в графическом виде в среду МКМ включен многослойный редактор, на каждом слое которого отображается соответствующий уровень многоуровневой модели.

2.1. Язык моделирования СТО

Язык СТО позволяет представить модель СТО предприятий НГП в виде компонентной

цепи

СCTO

где KCTO - множество компонентов СТО, в которых наблюдается преобразование информационных сигналов, мультифизических потоков энергии и многокомпонентных вещественных потоков; BCTO - множество связей компонентов множества KCTO, предназначенных для обмена компонентами информационными, энергетическими и вещественными потоками; NCTO - множество узлов КЦ, образованных соединениями

компонентов.

Множество KCTO включает в себя:

• компоненты-источники информационного сигнала, источников энергии (источников потенциала, источников разности потенциалов, источников потока) и источников вещества (вещественного потока);

• компоненты-преобразователи информации, энергии и многокомпонентных смесей веществ;

• компоненты-измерители потенциальной переменной, потоковой переменной и относительной разницы потенциальных переменных.

Для целей анализа СТО с неоднородными векторными связями [5], к классу которых относятся технологические объекты предприятий НГП, используется универсальное вычислительное ядро. Для целей построения КЦ объектов данного класса разработан интерпретатор компьютерных моделей СТО в формат МКЦ, который каждую неоднородную векторную связь представляет совокупностью энергетических и информационных связей.

47

При этом каждой энергетической связи ставится в соответствие пара топологических координат - узел щ и ветвь bj с потенциальной Vnj и потоковой Vbj переменными. Информационной связи соответствует пара топологических координат - узел щ и ветвь bj с одной потенциальной Vnj. Сформированная цепь передается универсальному

вычислительному ядру [4], осуществляющему ее анализ в соответствии с заданным видом анализа.

2.2. Язык моделирования алгоритмических конструкций

С помощью графических нотаций языка МАК на логическом уровне многоуровневой КМ ИСУ СТО формируется математико-алгоритмическая модель алгоритма ИУ, состоящая из нескольких алгоритмических КЦ вида

CA, =

где Кл - множество алгоритмических компонентов, реализующих основные математические и алгоритмические операции; Вл - множество связей компонентов множества Кл; Na -множество узлов, образованных соединением связей компонентов множества Кл; М -множество передаваемых по связям сообщений с данными, полученными путем выполнения записанной в явном виде математико-алгоритмической модели компонента множества Кл

Y = Fa

где Рл - параметры компонента множества Кл ; X - входные данные компонента множества Кл ; Y - результат работы компонента.

Каждый компонент множества Кл представляется совокупностью множеств

Кл =

где Рл - набор параметров компонента, не зависящих от принимаемых в сообщениях

данных; b - массив номеров ветвей компонента; n - массив номеров полюсов компонента; М - массив сообщений, размер которого соответствует количеству ветвей компонента.

Каждое сообщение множества M предназначено для передачи информации различных типов данных между компонентами алгоритмической КЦ (3) и представляется в виде

М =

где D - данные любого типа, передаваемые в сообщении М между компонентами; T - тип данных, передаваемых в сообщении; В - номер ветви в ГКБ цепи Сл (3), с которой

передается сообщение М узлу N; N - номер узла, заданный в ГБК цепи, которому передается сообщение.

Процесс формирования и отправки компонентом сообщения производится в ряде случаев, которые далее называются срабатыванием компонента. Срабатывать определенный компонент множества Кл (4) может в следующих случаях:

• во время запуска или остановки работы многоуровневой компьютерной модели ИСУ СТО;

• в начале и по окончании очередной итерации анализа модели СТО во время решения задач их исследования и проектирования алгоритмов ИУ СТО;

• при поступлении сообщения хотя бы на один из его входов от других компонентов алгоритмической КЦ Сл (3);

• когда компонент получил сообщения с данными на каждый из своих входов;

• если произошло взаимодействие с визуальным образом компонента, предназначенного для визуализации результатов эксперимента, интерактивного

48

управления параметрами КМ СТО или изменения значений управляющих воздействий на реальный объект.

Программно-алгоритмическая реализация каждого компонента множества KA (4) в

общем случае включает в себя функции приема, преобразования и отправления сообщений вида M (7).

2.3. Язык построение виртуальных инструментов и приборов

Согласно языку ВИП виртуальным прибором (ВП) является оконный интерфейс, имитирующий на компьютере логику работы реального прибора и предназначенный для генерации сигналов на реальный СТО или его КМ, а также для отображения данных измерения сигналов и результатов анализа модели. Для построения ВП применена структура многоуровневой КМ ИСУ СТО. В этом случае:

• визуальный уровень содержит лицевую панель ВП, состоящую из компонентов отображения данных в понятном пользователю виде и органов интерактивного управления параметрами и характеристиками прибора;

• на логическом уровне находится алгоритм функционирования прибора, представляющий собой одну или несколько взаимно не связанных между собой алгоритмических КЦ (4);

• объектный уровень представляет собой интерфейс взаимодействия ВП с исследуемым СТО и (или) его компьютерной моделью.

Множество компонентов визуального уровня, называемых далее визуальными компонентами и предназначенных для формирования лицевых панелей ВП и панелей визуализации и интерактивного управления ИСУ СТО, включает в себя компоненты следующих множеств

KV =

где KV1 - множество компонентов-визуализаторов статической информации,

предназначенных ее для представления на панелях ВИП с целью повышения их информативности (рис. 3, а); KV2 - множество компонентов-визуализаторов результатов измерения и моделирования, принимаемых с логического уровня КМ ИСУ СТО (рис. 3,б); KV3 - множество управляющих компонентов, позволяющих пользователю вводить данные

числовых и нечисловых типов, передаваемые с визуального уровня на логический для их использования в алгоритмах ИУ (рис. 3, в).

С помощью визуальных компонентов, принадлежащих визуальному уровню моделирования и отображаемых на визуальном и логическом слое редактора, осуществляется взаимодействие визуального и логического уровней многоуровневой КМ ИСУ СТО.

Заключение

Язык многоуровневого компьютерного моделирования предназначен для формирования в графическом виде многоуровневых компьютерных моделей интеллектуальных систем управления сложными технологическими объектами предприятий нефтегазовой промышленности. Являясь метаязыком, он включает в себя язык СТО, позволяющий формировать модели сложных технологических объектов с неоднородными векторными связями, язык моделирования алгоритмических конструкций, предназначенный для формирования алгоритмов функционирования систем интеллектуального управления, и язык визуальных инструментов и приборов, позволяющий синтезировать панели визуализации и интерактивного управления.

49

Лицевая панель ВП

Интерфейс взаимодействия ВП с исследуемым СТО или с моделью

Многоуровневая КМ ИСУ СТО

Визуальный уровень

Логический уровень

С7 Объектный уровень

Алгоритм

функционирования

ВП

Рис. 2 - Многоуровневое представление виртуального прибора

а) б) в)

Рис. 3 - Визуальные компоненты

а) визуализаторы статической информации; б) компоненты-визуализаторы результатов моделирования и измерения; в) управляющие компоненты

Литература

1. Ганджа Т.В. Формализованное представление технически сложного объекта с компьютерной моделью в контуре управления // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2012.-№ 2.-С. 29-35.

2. Дмитриев В.М. Автоматизация моделирования промышленных роботов / В.М. Дмитриев, Л.А. Арайс, А.В. Шутенков. - М.: Машиностроение, 1995. - 304 с.

3. Дмитриев В.М. Архитектура универсального вычислительного ядра для реализации виртуальных лабораторий/ В.М. Дмитриев, А.В. Шутенков, Т.В. Ганджа// Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. -2004. - № 2. - С. 24-28.

4. Ганджа Т.В. Задачи и архитектура подсистемы документирования исследований в среде многоуровневого моделирования МАРС/ Т.В. Ганджа, С.А. Панов// Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. -2011.-2 (24). - Ч. 2.-С. 334-338.

5. Дмитриев В.М. Принципы построения моделей сложных технологических объектов с неоднородными векторными связями/ В.М. Дмитриев, Т.В. Ганджа, С.К. Важенин// Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. - № 1. - С. 104-111.

50