Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФУНКЦИЙ, ЗАДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШЛЮЗОВАНИЯ СУДОВ 21
1.1. Архитектура и особенности систем управления пшюзованными каналами. 21
1.2. Особенности технологического процесса формирования базы данных при управлении шлюзованием судов 28
1.3. Структурные методы управления работоспособностью АСУ техническими средствами шлюза 33
1.4. Базовый типовой алгоритм процесса шлюзования судов 37
1.5. Выводы по главе 1 47
ГЛАВА 2. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ ШЛЮЗА 48
2.1. Общая информационная модель системы управления шлюза в виде трехэлементной системы 48
2.2. Структурирование базового системного модуля 57
2.3. Информационная модель постов управления шлюзованных каналов в виде субъектного модуля 66
2.4. Объектный модуль АСУ шлюза 71
2.5. Выводы по главе 2 83
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОВОДКОЙ СУДОВ ЧЕРЕЗ ШЛЮЗ 84
3.1 Алгебраические модели технологического процесса шлюзования судов . 84
3.2 Модели унифицированного процесса моделирования систем управления шлюзованием судов 89
3.3 Диаграммы видов деятельности при шлюзовании судов 99
3.4. Диаграммы последовательности для описания взаимодействия судов при шлюзовании 102
3.5. Выводы по главе 3 108
ГЛАВА 4. ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ШЛЮЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ 110
4.1 Объектно-ориентированные системы инструментальной поддержки процессов моделирования и проектирования систем управления шлюзом 110
4.2 Инструментальная программа "Our-CAD" для отладки системы управления шлюзом 114
4.3 Объектно-ориентированное имитационное моделирование процессов управления шлюзом 118
4.4 Моделирование технологических и бизнес-процессов при шлюзовании судов 122
4.5 Выводы по главе 4 132
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 133
ЛИТЕРАТУРА 135
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОПИСАНИЕ ФУНКЦИЙ ПРОГРАММЫ "OUR-CAD"... 143
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ФРАГМЕНТЫ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ПРОЦЕССОВ ШЛЮЗОВАНИЯ 161
- Архитектура и особенности систем управления пшюзованными каналами.
- Общая информационная модель системы управления шлюза в виде трехэлементной системы
- Алгебраические модели технологического процесса шлюзования судов
- Объектно-ориентированные системы инструментальной поддержки процессов моделирования и проектирования систем управления шлюзом
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Управление судопропуском по шлюзованным каналам на внутренних водных путях обусловлено их техническим и информационным уровнем, т.е. качеством эксплуатируемых автоматизированных- систем управления техническими средствами шлюза, которые представляют собой информационно-управляемые модули. Необходимость их постоянного совершенствования и развития объективно обусловлено как развитием физической базы вычислительных средств управления и связи , так и результативностью моделирования процессов сложных организационно-технических систем, которые при их эксплуатации обеспечивают безотказность и безопасность транспортных процессов.
Судоходный шлюз, как конечный элемент декомпозиции системы контроля и управления движением судовых потоков должен обеспечивать безопасность проводки судов, а также безотказность технических средств при выполнении функции судопропуска. Эти функции обеспечиваются управлением технологическим процессом функционирования рабочих органов шлюза и их механизмов на достаточном уровне их информационного обеспечения, как по базе данных, так и алгоритмического обеспечения.
Решение задачи по автоматизации производственного процесса шлюзования, учитывая сложность процессов, реализуемых в технологическом комплексе, требует использования и реализации объектной модели шлюза как сложной системы. При этом возникает необходимость реализации принципа абстрагирования, принципа многомодельности и принципа иерархического построения моделей сложных систем.
Исходя из необходимости последовательной формализации сложных процессов на этапе построения формальной схемы, используется принцип классификации, который утверждает, что при этом необходимо учитывать уровни обобщения, и в то же время для каждого состояния необходимо выполнять классификацию значений выбираемых параметров.
1'ОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ
С-Петербург
Такие задачи решаются исходя из особенностей объекта управления -шлюза и реализуемых алгоритмов управления, учитывающих назначение и функции технических средств связи и управления, используемых на шлюзах. Исходя из сказанного, актуальным для водного транспорта является научно-техническая задача обеспечения качества управления шлюзованием судов на основе объектно-ориентированного подхода к процессам анализа, проектирования и моделирования процессов шлюзования.
Исследования ряда организаций России, в том числе Института проблем транспорта РАН, управления Волго-Донским каналом, Новосибирской и Нижегородской академий водного транспорта, показали, что основным способом решения проблемы автоматизации проводки судов в соответствии с международными стандартами является совершенствование и развитие объектно-ориентированного моделирования процессов шлюзования как основы реализации требований по безотказности и безопасности проводки судов на внутренних водных путях.
Цель диссертационной работы. Повышение эффективности процессов моделирования и проектирования автоматизированных систем управления проводкой судов по шлюзованным каналам на основе использования новых информационных технологий при создании и модернизации систем управления техническими средствами шлюза.
Центральным элементом этой научной задачи является совершенствование способов, алгоритмов и языков моделирования сложных систем' управления шлюзованными каналами, моделирование технологических процессов проводки судов через шлюз, информационное обеспечение процессов управления движения судов.
Объект исследования: технология проводки судов через шлюз, структуры систем управления технологическими процессами.
Предмет исследования: информационное, алгоритмическое, программное обеспечение описания алгоритмов управления техническими средствами
шлюза при реализации объектно-ориентированного подхода к формализации процессов управления.
Методы исследований: методологической основой и общетеоретической базой исследований является принцип системного анализа процессов формального описания алгоритмов управления технологического процесса шлюзования, а также инженерные методы и экспертные оценки, используемые для проектирования систем управления техническими средствами на различной элементной базе. Теоретической основой развития и повышения качества управления шлюзованными каналами являются объектно-ориентированные языки моделирования сложных систем, основанные на реализации теории управления, теории игр, теории информационных систем, теории баз данных , системологии, теории программирования и др.
Научная новизна:
-
Предложена и реализована методика моделирования процессов управления техническими средствами шлюза на основе трёхзвенной структуры системы управления, позволяющей описывать динамику изменения параметров системы.
-
Разработаны модели процесса шлюзования в виде диаграмм унифицированного языка моделирования.
-
Предложены комплексы формализованных математических моделей в виде алгебраических структур, реализованных в алгоритмах управления шлюзованием судов.
-
Развита и реализована методика формирования информационного обеспечения процессов управления проводкой судов через шлюз.
Практическая ценность: на основании теоретических и предметных исследований выполненных в диссертации, анализа опыта эксплуатации существующих автоматизированных систем управления шлюзом, выполненных вычислительных экспериментов по моделированию технологических процессов шлюзования судов получили следующие практические результаты:
разработаны диаграммы классов, вариантов шлюзования, объектов, последовательностей, состояний деятельности, компонентов определяющих процесс шлюзования судов;
формализована структура логико-динамической модели процесса шлюзования на основе трёхзвенной структуры управления;
предложены и обоснованы пути совершенствования систем управления техническими средствами шлюза с учётом реализации объектно-ориентированного подхода к моделированию сложных систем.
Результаты работы использованы в государственных управлениях Волго-Донском и Волго-Балтийском районах гидросооружений, НПФ "Меридиан".
Апробация работы: основные результаты исследований и выводы по работе докладывались на Международной научно-технической конференции ТРАНСКОМ - 2004 в декабре 2004 года, на научно-практических и научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов старших курсов в 2004, 2005 и 2006 годах, на семинарах и заседаниях кафедры автоматики в 2004-2006 годах.
Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах (4 статьях, 2 материалах докладов на Международной конференции "ТРАНСКОМ-2004", 6-ти публикациях по материалам научно-технических и научно-пракгических конференциях аспирантов, студентов старших курсов СПГУВК).
Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 170 страниц, в том числе 32 рисунка, _1_ таблицы и списка использованных источников из 101 наименования.
Архитектура и особенности систем управления шлюзованными каналами
Реализация второго пути более экономична и реально осуществима. По предварительным оценкам экспертов, за счет автоматизации проводки судов обеспечивается увеличение пропускной способности и надежности функционирования существующих гидротехнических сооружений.
В значительной степени улучшение условий плавания судов по рекам и каналам определяется качеством работы судоходных шлюзов. Однако многие шлюзы в настоящее время не имеют современных систем автоматического управления, что существенно снижает эффективность их эксплуатации.
Развитие АСУ шлюзования основано на широком использовании средств автоматики и вычислительной техники, и характеризуется использованием ПЭВМ в структуре систем управления, что определяет пути качественного изменения функций управления.
Однако процесс внедрения вычислительной техники в практику эксплуатации отстает от теоретических проработок данного вопроса. Поэтому часто возможности вычислительной техники используется лишь в незначительной мере. И в отечественной, и в зарубежной практике эксплуатации СУ "Шлюз" на ПЭВМ возлагаются, в основном, функции контроля, а также, как правило, выполнение логических операций по управлению механизмами на верхней и нижней головах.
Наиболее часто используются интегрированные системы управления, объединяющие в себе функции многих систем, ранее действовавших независимо. Кроме обычных функций, такие системы контролируют системы жизнедеятельности объекта - сетей электро - и водоснабжения, пожаротушения, в случае чрезвычайных происшествий (при пожаре, землетрясений, взрыве) адаптируются к условиям поврежденного объекта.
В зависимости от сложности алгоритмов управления шлюзом выделяют:
- системы с раздельным дистанционным управлением - управление с центрального пульта (ЦП) шлюза с помощью отдельных ключей на каждую группу механизмов, выполняющих одинаковые функции. Последовательность работы механизмов в цикле шлюзования обеспечивается соответствующими блокировками.
- системы с групповым управлением - управлением с ЦП шлюза группами механизмов, аналогично п.1, но с помощью одного группового ключа, перемещаемого в специальных прорезях в двух направлениях (шлюзование вверх и шлюзование вниз). Порядок исследования прорезей соответствует последовательности работы механизмов, что дополнительно блокирует взаимодействие механизмов в цикле шлюзования и не допускает одновременного включения двух механизмов, различных по назначению. Групповой ключ совмещает функции и задания определенной последовательности при проведении полного цикла шлюзования и функции раздельного управления при маневрировании определенной группой механизмов.
Общая информационная модель системы управления шлюза в виде трехэлементной системы
Для системы управления техническими средствами шлюзования, как сложной системы характерна иерархичность взаимоподчиненных уровней абстракций ее компонентов, к которым относятся: камера шлюза, рабочая среда, ворота, приводы исполнительных механизмов и др.
Учитывая объектно-ориентированный подход к анализу системы шлюзования, выделим канонические типы иерархических абстракций - в виде структуры классов и структуры объектов.
Каждый класс выбранных абстракций, условно рассматриваемый в вертикальном направлении иерархии структуры классов, содержит определенное количество объектов (экземпляров класса), различающихся по своим свойствам и признакам (атрибутам), характеризующим их внутреннее содержание и происходящие в них процессы. При этом отличительные признаки экземпляров класса имеют собственную иерархию, условно рассматриваемую в горизонтальном направлении, которая определяет структуру объектов с их содержанием и процессами внутри данного класса.
Наличие информации о содержании структуры классов и структуры объектов предоставляет возможность выделить область информационного пространства для рассматриваемого процесса шлюзования и с учётом атрибутов определить содержание тех абстракций, которые для решения поставленной задачи являются существенными. При этом содержание абстракций реализуется в конкретной предметной области, определяемой исследователем выбранной системы рассмотрения. В соответствии с поставленной задачей выделены собственные структуры классов и структуры объектов для шлюза, которые в данном случае имеют то или иное отношение к выбранному процессу управления шлюзованием. Рассмотрим задачу, связанную с объектно-ориентированным подходом к моделированию систем управления ТС шлюза.
Исходя из сложности системы шлюзования выполнено объектно-ориентированное выделение структуры классов и структур объектов сложных систем, которые могут быть перенесены на принципы объектно-ориентированного моделирования шлюзовых систем, в том числе на проектирование систем автоматизированного управления ТС шлюза.
Конкретная задача состоит в построении структуры классов и структуры объектов систем управления техническими средствами шлюза, обеспечивающими технологический процесс движения судна в шлюзованном канале.
На рис. 2.1 показана иерархия структуры классов и структуры объектов систем управления технологическим процессом шлюзования. В представленной структуре классов, шлюз, являющийся структурным элементом суперкласса, выбран за объект верхнего уровня рассмотрения. На нижнем уровне представлений рассматриваются элементы системы сигнализации и элементы обратных связей (светофоры, датчики) обеспечивающие управление работой шлюза.
При этом рассмотрена структура классов, выбранные объекты которых в той или иной мере связаны с процессом шлюзования судов. Каждый класс содержит группы объектов, которые могут иметь значение при выборе тех или иных вариантов шлюза. Структура классов и структура объектов шлюза, количество структурных уровней, количество учитываемых объектов в каждом классе и соответствующих наборов их атрибутов определяются самим исследователем в зависимости от существенности рассматриваемых между уровнями взаимодействующих объектных связей для каждого структурного элемента.
Алгебраические модели технологического процесса шлюзования судов
Теоретической основой для описания технологического процесса шлюзования является математический аппарат в виде специализированной алгебры: A= A,FA , где А - множество элементов, объектов, действий, результатов отражающих процессы преобразования, реализуемые в системе управления техническими средствами шлюза;
Формирование множества альтернативных моделей (МАМ) при описании алгоритмов управления сложными техническими комплексами - обусловлено наличием или возникновением связей между элементами этой системы, коорые определяют выбор варианта системы S, наиболее эффективно вычисляющую целевую функцию процесса обеспечения шлюзования судов.
Формализация процессов управления техническими средствами шлюза при шлюзовании позволяет абстрагироваться от деталей и выявлять сущности основных принципов существования реальных систем путем выявления различных, т.е.совокупности моделей отражающих их поведение. Одним из путей решения задачи моделирования технологического процесса шлюзования судов является использование так называемых многоосновных, многосортных алгебр, которые основаны на алгебрах событий, алгоритмов, множеств, микропрограммных алгебр, алгебраической теории автоматов, которую называют также трехосновной алгеброй утверждений, а также алгебраических структурах (универсальных алгебрах). Предлагаемые формализации для описания процессов выполненных операций по реализации технологического процесса шлюзования базируется на следующих ниже определениях и утверждениях [89,90]. длины в алфавитах X = {xl,x2,...,xti},Y = {yl,y2,...,yk},Z = {zl,z2,...ze} предполагается, что множество А(Х,Y,Z) содержит такое пустое слово 0(e), при этом длиной слова Е будем называть число составляющих элементов S . Число составляющих элементов Е - определяет необходимые ресурсы и время выполнения операций технологического процесса, которые также зависят от их взаимосвязи определяемой композициями (операциями) на множестве А.
Прикладная интерпретация принятых символов в множествах X,Y,Z,... заключается в их принадлежности к техническим средствам шлюза, агрегатам к шлюзу в целом с учетом соответствующей иерархической структуры любого шлюзового функционального комплекса. Множество А(Х, Y,Z) представляет собой слова в виде цепочки (ветвящихся, последовательных, циклических) соответствующие выполняемым действиям, операциям при шлюзовании судов (заход судов, выходы судна из шлюза, заполнение и опорожнения камеры шлюза и т.п.). в зависимости от конкретного ( фактического, виртуального) технологического состояния шлюза. Таким образом, каждому слову соответствует набор операций (действий) определяющих технологический процесс шлюзования.
Объектно-ориентированные системы инструментальной поддержки процессов моделирования и проектирования систем управления шлюзом
Использование цифрового имитационного моделирования при проектировании и создании систем управления техническими средствами шлюза вызвано необходимостью учета статических, динамических и стохастических аспектов функционирования систем, что затруднено, громоздко либо просто невозможно описать аналитически. Система может быть описана через структурные и функциональные взаимодействия своих элементов и при помощи алгоритмов функционирования системы в процессе работы.
Сущность метода имитационного моделирования состоит в разработке программного алгоритма процесса функционирования структуры или схемы АСУ ТП шлюза с учетом выбранного уровня детализации и его испытаний для получения нужных внутренних характеристик структуры или схемы. Этот метод позволяет, в принципе, исследовать структуры и схемы цифровых систем управления любой сложности и на любом уровне детализации. Вместе с тем очевидны и недостатки данного метода: в отличие от метода математического моделирования, позволяющего получать аналитические зависимости показателей от внутренних характеристик ЭВМ, одиночное испытание модели может дать лишь значение некоторого показателя при заданных характеристиках ПЭВМ.
В других случаях возможно аналитическое описание системы, однако оно настолько сложно и неконструктивно, что проще дать имитационное описание. Имитационная модель может служить и просто вычислительным инструментом, когда другие численные методы оказываются менее эффективными.
Похожие диссертации на Объектно-ориентированное моделирование систем управления технологическим процессом шлюзования судов
