Содержание к диссертации
Обозначения и сокращения 4
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
Обобщенная модель информационного процесса 10
Классификация канальных модулей системы мониторинга ТП НГК 22
Обзор компьютерных средств для работы с моделями 33
Ограничения средств создания виртуальных лабораторий применительно к НГК 33
Ограничения пакетов моделирования 37
1.4. Формулирование базовых требований к новому средству 44
Основные выводы первого раздела л-,
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВСИИП 49
От понятия «виртуальная лаборатория» к понятию «виртуальная среда» 49
Конкретизация проблемной области ВСИИП в контексте НГК 51
Сценарии взаимодействия с ВСИИП 53
Процессы создания и исследования моделей сложных объектов с позиций системного анализа 53
Процессы обучения 55
ВСИИП как часть инфосреды производства, науки и образования 57
Интеллектуальный диалог пользователя с ВСИИП 59
2.4. Архитектура ВСИИП 60
Физическая структура ВСИИП 62
Логическая структура ВСИИП 63
Функциональная структура ВСИИП 64
2.5. Макет ВСИИП 68
2.5.1. Взаимодействие продуктов, инструментария ВСИИП и ядра
системы моделирования MATLAB 68
Структура html-файла интерфейса специалиста 69
Алгоритмы работы программы-обработчика клиентских запросов 72
Базовый сценарий работы специалиста во ВСИИП 73
Условия и факторы экономической эффективности применения ВСИИП
на предприятии НГК 75
Основные выводы второго раздела
3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТАРИЯ ВСИИП 78
Распределение вероятностей векторов ошибок как средство цифрового отображения непрерывного КВ-канала 81
Определение исправляющей способности и длины (кодовой комбинации) линейного кода 83
Расчет вероятности вектора ошибки заданной конфигурации 86
Реализация алгоритма расчета 86
Проблема вычислимости 89
3.4. Имитация цифрового канала связи 103
Основные выводы третьего раздела 106
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 107
ЛИТЕРАТУРА 112
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
ВВО - вероятность вектора ошибки
ВЛ - виртуальная лаборатория
ВОЛС - волоконно-оптическая линия связи
ВС - виртуальная среда
ВСИИП- виртуальная среда по исследования/отображению
информационных процессов ВЧ - высокая частота ИКМ - импульсно-кодовая моделяция ИП - информационный процесс KB - короткие волны КК - кодовая комбинация ЛЭП - линия электропередач МНК - метод наименьших квадратов МЭК - международная электротехническая комиссия НЧ - низкая частота
ОМИП - обобщенная модель информационного процесса ПДС - передача дискретных сообщений ПС - промышленная сеть
РЗ и ПА - релейная защита и противоаварийная автоматика РРЛ - радиорелейная линия УКВ - ультракороткие волны ФМ - функциональная модель ХФ - характеристическая функция ЭК - электромагнитный канал
В2В - business-to-business (методология интеграции между партнерами) В2С - business-to-consumer (методология интеграции между компанией и
потребителем)
CALS - continues acquisition and life circle support (поддержка непрерывного
жизенного цикла продукции) СІМ - computed integrated manufacturing (компьютеризированное
интегрированное производство) DC - direct control (местный контроль)
DCS - distributed control system (распределенная система управления) ERP - enterprise resource planning (планирование ресурсов предприятия) LMS - learning management system (система управления обучением) MAS - Mathcad Application Server MRP - manufacturing resource planning (планирование ресурсов
производства) OSI - модель взаимодействия открытых систем SCADA - supervising control and data acquisition (удаленный контроль и сбор
данных)
Введение к работе
Актуальность темы. В НТК, несмотря на большое многообразие используемых при организации мониторинга техпроцессов сред распространения сигналов, каналообразующего оборудования, часть автоматических линий сбора данных отсутствует. Часто данные поступают на бумажном носителе, по факсу, телефону. В связи с этим имеют место проблемы: неполнота, недостоверность, запаздывание критичной оперативной информации; высокая роль человеческого фактора в принятии решений.
Ситуацию можно объяснить, в частности, ограниченностью квалификации специалистов соответствующих служб при решении задач выбора и настройки систем связи в процессе эксплуатации, обеспечения надежности и качества их работы. Не весь спектр задач, связанных с применением каналообразующей техники, специалисты НТК могут решать с одинаковой эффективностью. По результатам анализа (например, [80]) наблюдается слабое использование КВ-каналов для организации системы мониторинга распределенных техпроцессов. В тоже время имеются промышленные образцы датчиков с передающей аппаратурой, ориентированной на KB (например, в ОНИИП, г.Омск). Для их широкого использования нужна мобильная поддержка настройки (выбора параметров) каналообразующих модулей.
Сегодня эти задачи решаются в замедленном темпе: вызовом специалистов связи или многоэтапно, с использованием локально ориентированного и разрозненного математического обеспечения. Для улучшения ситуации необходим инструмент, позволяющий специалистам НТК самим «собирать» необходимое математическое обеспечение из совокупности доступных алгоритмов и моделей. Такой инструмент нужен как расширение функций АСУ верхнего уровня (систем типа SAP R/3) в сторону формирования компьютерной инфраструктуры поддержки деятельности специалистов по организации и обеспечению мониторинга
техпроцессов в производственных комплексах НТК. Соответствующие специалисты - востребованы, а разработка инструмента поддержки их деятельности - актуальна.
Состояние проблемы. При проектировании математического обеспечения в мире укрепился принцип модульности. При этом в процессе создания программной системы определяется «множество элементов, необходимых и достаточных для решения требуемых задач ...» [46]. Рассматриваемый нами процесс мониторинга - прежде всего процесс циркуляции данных в АСУТП НТК, т.е. информационный процесс (ИП) [75]. Поэтому множество элементов, на базе которого проектируется математическое обеспечение для канальных модулей систем мониторинга, является структурным подмножеством множества компонентов, охватываемых понятием «информационный процесс». При разработке инструмента поддержки синтеза необходимого математического обеспечения необходимо учитывать, как минимум: (а) современные представления о существе ИП в АСУТП НТК; (б) тенденции эволюции средств математического и компьютерного моделирования ИП; (в) тенденции интеллектуализации пользовательского интерфейса средств моделирования.
(а) Ранее особое внимание вопросу о структуре ИП в НТК не
уделялось. Интенсивное же развитие информатики и средств связи вызывает
динамику этого понятия. Мы наблюдаем его эволюцию от определений,
данных С.А. Бешенковым, Е.А. Ракитиной, М.П. Лапчиком и др., к
результатам, изложенным у Л.Ф. Куликовского и В.В. Мотова; Н.А.
Кузнецова, В.А. Любецкого, А.В. Чернавского, А.Я. Фридланда. Однако в
работах этих специалистов не затрагиваются особенности ИП в НТК. Их мы
встречаем, например, у Б.Я. Советова и В.М. Стаха. Однако предстоит
расширение декомпозиции ИП с учетом, в частности, появления
интеллектуальных компонентов и средств жизнеобеспечения ИП.
(б) Вычислительная информатика стала действенным инструментом
познания во всех сферах деятельности: создана фабрика машинного времени
[29], доступны вычислительные ресурсы (кластеры, суперкомпьютеры и пр.) и моделирующие программы (MATLAB, Maple и др., библиотеки моделей на их основе). Однако вопросы: (1) «какой должна быть архитектура вычислительной системы, инструментальных и прикладных программных комплексов?» и (2) «как на существующем техническом и программном обеспечении решать большие задачи?», активно обсуждаемые, например, еще в коллективе академика Н.Н. Яненко (80-е гг. ХХ-го века), остаются открытыми до сих пор. Новые возможности вычислительной техники и потребности ИТ-отрасли (например, появились интерфейсы к универсальным средствам моделирования) заставляют искать новые ответы на старые вопросы, по меньшей мере, в рассматриваемой сфере «ИП НТК».
(в) Вопрос об интеллектуализации пользовательского интерфейса впервые поставлен в 1968г. Г.И. Марчуком и А.П. Ершовым. С тех пор утвердился подход к автоматизации программирования с помощью библиотек стандартных программ [43]. «С конца 70-х годов весьма стремительно развиваются и внедряются в практику интеллектуальные пакеты прикладных программ (И11І111)» [60]. Однако созданные программы ориентированы на получение конкретных прикладных результатов. Между тем уровень развития информационного общества и насыщенность отрасли информационными процессами и системами позволяет требовать от специалистов НТК самостоятельно конструировать (формировать) необходимые проблемно-ориентированные компьютерные инструменты решения производственных задач, касающихся канальных компонентов, в частности.
Целью диссертационного исследования является разработка компьютерного инструментария синтеза математического обеспечения для канальных модулей системы мониторинга ТП НТК, использующей среды передачи с переменным затуханием. Достижение цели возможно решением следующих задач:
Обосновать репрезентативное множество модулей, отображение которых в виде моделей создаст адекватную базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК.
С учетом современного состояния информатики выработать критерий качества для оценки средств работы с полученным множеством модулей, учитывающий адекватные требования к проектируемому инструментарию в сфере НТК.
Разработать отвечающий выработанным требованиям компьютерный инструментарий, ориентированный на профессиональный уровень специалиста НТК.
Разработать на базе инструментария математическое обеспечение для анализа канального модуля, обеспечивающего заданное качество передачи данных по КВ-каналу в мониторинге техпроцессов НТК.
Методика исследования. Для решения перечисленных задач применены: аналитическое исследование публикаций; теоретические и технические основы информатики и АСУ ТП в НТК; системный анализ; численное и имитационное моделирование; теория связи, линейная алгебра, включая кронекеровскую алгебру матриц; программирование на языках Java, javascript, actionscript и в среде MATLAB.
Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ [64-71].
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты обсуждались: на международных конференциях в г. Минске (2002г.), г. Санкт-Петербурге (2003г.), г. Новосибирске (2003г.), г. Тюмени (2003г.); на региональных конференциях. Основные аспекты работы обсуждались на заседаниях научного семинара «Интеллектуальные информационные системы» ТюмГУ (Тюмень, 2003-2004 гг.), в СибГУТИ.
