Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО . МОНИТОРИНГА
1.1. Средства проектирования общего назначения 14
Программно-аппаратная платформа реализации 17
Средства обмена информацией и интеграции приложений 18
Встроенные языки управления 24
Архивирование данных и построение отчетов 28
Обработка аварийных ситуаций 29
Открытость систем 32
Пользовательский интерфейс 35
Обеспечение надежности функционирования 38
Автоматизация процесса проектирования 39
О некоторых отраслевых специализациях 41
Выводы по главе 1 43
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА
Обобщенная модель предметной области 44
Язык описания и варианты модели 46
Интерпретации модели 48
Технология проектирования 52
Выводы по главе 2 57
ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ (ПИПС)
Основные свойства системы 58
Реализация системы 62
Описание таблиц базы данных
Таблицы, описывающие общие параметры проекта и являющиеся справочниками системы 65
Таблицы, связанные со структурой регистрируемых информационных потоков 67
Таблицы, описывающие параметры подсистемы отображения 70
Таблицы, описывающие параметры подсистемы отчетов 72
Методика использования системы 73
Выводы по главе 3 78
ГЛАВА 4. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ И АЛГОРИТМЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА
4.1. Классы системы
Классы канала 79
Классы форм отображения 82
4.2. Отдельные функциональные алгоритмы программного обеспечения
узлов , 84
Алгоритм сжатия информации 84
Алгоритм визуализации данных 90
Общий алгоритм функционирования ПО узла СКМ 95
4.3. Выводы по главе 4 96
ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ
5.1. Программный комплекс "Самарта" 97
5.1 Л. Общее описание 97
5.1.2. Подробное описание 98
Осциллографический модуль 98
Вспомогательный модуль 99
Основной модуль 99
Модуль визуализации 100
5.1.2.5, Описание главного меню 101
Позиция "Экраны" 101
Позиция "Отчеты" 104
Позиция "Управление" 109
Позиция "Тревоги" 109
Позиция "Осциллограмма" 109
Позиция "Режимы" ПО
5.2, Программный комплекс "Уда" ПО
5.3. Выводы по главе 5 112
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 113
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 114
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .....118
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 124
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 128
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена технологии и инструментальным средствам проектирования и создания программного обеспечения систем компьютерного мониторинга.
Актуальность проблемы.
В различных сферах деятельности человека, которые используют информационные технологии, возникает потребность в эффективной разработке программного обеспечения (ПО) систем мониторинга объектов наблюдения (ОН) и мультимедийного представления получаемой информации — отображения данных. В инструментальных: средствах эффективной разработки указанного ПО нуждаются электроэнергетические системы, системы тепло- и водоснабжения, системы мониторинга лифтового хозяйства, системы автоматизации научных исследований и экспериментов, распределенные системы сбора сейсмических данных, системы интернет/интранет-опроса распределенных баз данных, системы интеллектного управления уровнем комфорта и экономичности жилых помещений (концепция т.н. "умных домов"), системы диспетчерского контроля за движением транспортных средств и, вообще, системы поддержки: так или иначе структурированных информационных потоков, их приема, анализа и эргономичного человеко-машинного интерфейса.. Последние системы далее для краткости именуются системами компьютерного мониторинга (СКМ).
Современная СКМ представляет собой сложную, иерархически построенную, человеко-машинную систему сбора информации. Для ее создания используются автоматические информационные системы сбора данных и вычислительные комплексы, которые постоянно совершенствуются по мере развития технических средств и программного обеспечения. Автоматизация процессов сбора информации позволяет повысить качество и снизить себестоимость контроля объектов наблюдения. Она требует немалых затрат сил, времени и финансов, но при умелом подходе, своевременных и целесообразных руководящих решениях, позволяет добиться значительного экономического эффекта. Целью автоматизации является обеспечение возможности наблюдения и анализа человеком параметров происходящих в объекте мониторинга процессов. В технической литературе под верхним уровнем СКМ понимается комплекс аппаратных и программных средств, выполняющих роль полуавтоматического диспетчерского узла, ядром которого служит компьютер, а
-б-
человек-оператор входит в систему как одно из функциональных звеньев верхнего уровня контроля и управления. Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления получает информацию со средств отображения и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов, Необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи,. обработки, отображения, способы представления информации. От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт, работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Недооценка важности построения эргономичного человеко-машинного интерфейса и, вообще, недооценка человеческого фактора с годами становится все более определяющей причиной возникновения аномальных (нештатных) ситуаций.
Если говорить о важности эффективного диспетчерского управления, то необходимо упомянуть проблему технологического риска. Технологические процессы, как один из возможных объектов мониторинга, (в частности, в энергетике) являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному ущербу. Статистика говорит,, что за последние тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет.
В основе любой аварии за исключением стихийных бедствий лежит ошибка человека. В результате анализа большинства аварий в энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80 %. Одна из причин этой тенденции - старый традиционный подход к построению сложных систем управления, делающий упор на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера).
Структура СКМ с точки зрения получения и визуализации данных объектов мониторинга разделяется на два уровня.
Нижний уровень — контроллерный, включает различные датчики для сбора информации, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции:
сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;
управление исполнительными механизмами;
решение задач автоматического логического управления и др.
предварительная обработка информации
В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных, имеющие встроенные микропроцессоры, средства объединения в сети, зашитые в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) операционные системы.
К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, обеспечивая их безусловную обработку. Для критичных, с этой точки зрения применений рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени. Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), - InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Litellution, USA), имеющие открытую архитектуру.
Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через управляющие контроллеры. В зависимости от поставленной задачи, управляющие контроллеры реализуют дополнительные функции. Некоторые из них перечислены ниже:
сбор данных с локальных контроллеров,
їуЗ обработка данных, включая масштабирование,
поддержание единого времени в системе,
синхронизация работы подсистем,
организация архивов по выбранным параметрам,
обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;
Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП), включает, прежде всего, одну или
несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее
М^ место диспетчера/оператора. Они входят в локальную сеть, в которой может быть
размещен сервер базы данных, рабочие места для специалистов и т. д.
Многообразие решаемых задач при создании такого рода систем предъявляет очень серьезные требования к разработчикам СКМ, которым необходимо разработать надежно работающее ПО, учитывающее особенности функционирования аппаратуры и режимов работы оборудования, необходимости организации связи между отдельными элементами системы, учета и компенсации некорректной работы под влиянием условий окружающей среды. Оптимальное решение - сосредоточить в одних руках ответственность за все элементы системы, и за технологическую карту процесса, и за подбор и отладку оборудования, и за разработку ПО. В таком случае разработчики должны быть одинаково сильны во всем многообразии возникающих проблем и вопросов.
Использование традиционных технологий и, в частности, универсальных языков программирования при разработке ПО СКМ, вызывает удлинение сроков и повышение стоимости разработки, хотя при квалифицированном проектировании и программировании приводит к высокооптимизированному продукту. Необходимость компромисса между оптимальностью решения и высокой эффективностью (в
частности, технологичностью) его получения вынуждает разрабатывать инструментальные средства проектирования и создания ПО СКМ (в дальнейшем систем проектирования), доступные, в том числе, и для непрограммирующих (конечных) пользователей. Такие, например, как TraceMode, ffix, InTouch, Genesis32, Citect которые позволяют строить СКМ практически без программирования, в основном силами технологов предметной области. Применение этих средств позволяет вести разработку СКМ, которые будут осуществлять в реальном времени контроль и управление объекта мониторинга, получать и обрабатывать информацию о процессах в удобном виде. При этом пользователь не должен вдаваться в тонкости реализации.
Сложившаяся практика построения автоматизированных систем мониторинга и управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение подобных систем проектирования значительно упрощает жизнь разработчикам, а также позволяет получить при их эксплуатации следующие преимущества [25]:
точное соблюдение технологических нормативов и регламента;
снижение простоев оборудования, вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;
устранение ошибок, допускаемых операторами, путем полной автоматизации процессов управления;
анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;
предупреждение аварий на производстве;
комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;
автоматическая и своевременная генерация отчетов для руководящего
персонала.
Из вышесказанного следует, что разработка методов и алгоритмов подобных систем в целях совершенствования процедур проектирования СКМ, создание методик и подходов, автоматизирующих процесс построения ПО СКМ, являются актуальной задачей.
Цель работы.
Основной целью диссертации является исследование возможностей и создание инструментальных средств разработки ПО СКМ (с мультимедийным отображением состояния объекта мониторинга), включая как проектирование, так и генерацию программных кодов.
Основные научные результаты, выносимые на защиту.
Технология разработки систем компьютерного мониторинга, в том числе модель предметной области (как совокупность типизированных узлов и связей между ними), язык спецификаций, позволяющий задавать структуру проектируемой СКМ, алгоритмы функционирования пунктов мониторинга трех типов (ПСД, ПАД и ПОД) и использующая их система алгоритмов формирования проекта;
инструментальные средства Проектирования И Программирования Систем компьютерного мониторинга (ПИПС,) - на основе указанной технологии и с автоматической генерацией программного обеспечения создаваемых систем компьютерного мониторинга;
алгоритмы сжатия информации и визуального отображения состояния объекта мониторинга в реальном временном масштабе, т.е. в темпе протекания процессов.
Практическая ценность.
Практическая полезность разработанных инструментальных средств ПИПС состоит в повышении эффективности процессов проектирования и генерации ПО СКМ, а именно, в повышении степени автоматизированности процессов проектирования и обеспечении автоматизации процесса генерации ПО СКМ и, как следствие, качества и надежности программных систем;
высокая эргономичность получаемых человеко-машинных интерфейсов в узлах ПОД обеспечивает высокую эффективность использования данных в реальном времени;
разработанные средства сжатия информации обеспечивают регистрацию быстропротекающих процессов в реальном времени;
обеспечивается повышение эффективности инструментальных средств:
уменьшением количества указанных выше этапов типового проектирования посредством создания ПО проектирования архитектуры на основе специального языка спецификаций структуры СКМ,
упрощением реализации отдельных этапов типового проектирования посредством типизации узлов и использования их функционального ПО в виде заранее разработанного, функционально полного набора стандартных компонентов.
Апробация работы.
Результаты работы докладывались автором и обсуждались на:
1-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и
прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,
2000 г;
2-м Международном научно-техническом семинаре "Современные средства телемеханики, организация рабочих мест оперативного персонала и щитов управления в электроэнергетике", Москва, 2001 г.;
2-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,
2001 г.;
3-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и
прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,
2002 г.;
Всероссийской конференции "Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы", Улан-Удэ, 2003 г.;
2-й Международной научно-практической конференции "Энергосберегающие и природоохранные технологии", Улан-Удэ, 2003 г.;
IV Байкальской школе-семинаре "Математическое моделирование и информационные технологии", Иркутск, 2004 г;
научном семинаре ИДСТУ СО РАН (науч. рук. чл,-к. РАН С.Н.Васильев), 2004
г.;
семинарах Бурятского центра информатизации Байкальского региона при БГУ
(науч. рук. чл.-к. РАН С.Н.Васильев), Улан-Удэ, 2001 - 2004 г.
Имеются акты об использовании разработанных инструментальных средств для
создания СКМ Восточных электрических сетей ОАО "Бурэнерго" и СКМ
функционирования энергоподстанции на приисках ОАО "Бурятзолото" в Самарте, а
также в учебных процессах. Бурятского и Иркутского госуниверситетов.
^Jf5 Публикации.
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Из результатов, содержащихся в этих публикациях, в диссертацию включены только результаты, полученные лично соискателем. Личный вклад.
В статьях, где диссертант является первым автором, его вклад основной. В остальных работах диссертант участвовал от постановки задачи до окончательного решения и практической реализации, включая внедрение. Объем работы.
Диссертационная работа состоит из 113 страниц основного текста. Список
ш литературы включает 72 наименования. Работа включает 3 таблицы и 32 рисунка.
" Краткое содержание работы.
Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и приложения.
Введение содержит обоснование актуальности работы, формулировку цели исследований, постановку задачи, решаемой в работе.
В главе 1 рассмотрены известные инструментальные средства создания ПО распределенных СКМ, сделан их сравнительный анализ с точки зрения г типовых характеристик и, в том числе, наличия средств автоматизации процесса проектирования, а также с точки зрения их программно-аппаратных платформ, эксплуатационных и стоимостных характеристик.
Возможности автоматизации проектирования, которыми располагают рассматриваемые системы, представляют наибольший интерес, так как повышение степени автоматизированности проектирования составляет один из главных предметов данной работы. Большинство рассмотренных систем располагает, в основном, возможностью создания экранных шаблонов, сохранения частей проекта и повторного их использования в других проектах.
В частности, имеются системы, освобождающие проектировщика от большой доли, порой довольно рутинной, работы, но при этом не исключается необходимость проектирования функционального, алгоритмического обеспечения узлов и детального описания связей между ними. В силу своей универсальности, они обычно требуют в конкретных задачах неоправданно завышенных "накладных расходов", а также недостаточно удобны и производительны, поскольку не учитывают типажа узлов и, вследствие последнего, требуют прохождения всех указанных ранее этапов типового проектирования. Сделан вывод о недостаточной развитости инструментальных средств автоматизации процесса разработки (проектирования и генерации) ПО СКМ.
В главе 2 описывается предлагаемая соискателем технология автоматизации проектирования ПО СКМ. Предложены обобщенная модель предметной области (СКМ) и язык спецификаций для представления модели конкретной проектируемой СКМ. Определены типы узлов и связей.
В главе 3 сформулированы требования к системе проектирования ПИПС, дано описание реализации и функциональности модулей системы. Приведена логическая модель базы данных (БД), даны описания таблиц БД. Описана методика пользования системой автоматизации проектирования. Приведены примеры экранов последовательных стадий разработки. Рассматриваются характеристики системы.
В главе 4 рассмотрены структуры данных и алгоритмы, лежащие в основе ПО узлов СКМ генерируемого с помощью системы ПИПС. Приведена структура иерархии классов канала и классов форм отображения, разработанная в известной системе проектирования Rational Rose. Предложены функциональные алгоритмы программного обеспечения узлов.
В главе 5 приведено описание реализаций СКМ, выполненных в соответствии с моделями реальных энергетических объектов и внедренных в ОАО "Бурятэнерго" и ОАО "Бурятзолото".
В заключении формулируются основная цель работы и основные результаты диссертации выносимые на защиту.
Похожие диссертации на Инструментальные средства разработки программного обеспечения мониторинга с мультимедийным отображением информации
