Разработка архитектурных решений, алгоритмов и программных инструментов организации взаимодействия компонентов распределенных компьютерных тренажеров, реализующих виртуальную среду профессиональной деятельности диспетчеров систем газонефтепроводов Халиуллин Айрат Радикович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Анализ компьютерных технологий в области профессиональной подготовки и повышения квалификации диспетчеров систем МГ и МН 11

1.1. Общая характеристика ДУ системами МГ и МН 11

1.2. Компьютерная поддержка процесса принятия диспетчерских решений 17

1.3. Развитие используемых компьютерных технологий 30

Выводы 49

ГЛАВА 2. Разработка теоретических основ построения распределенных КТК 51

2.1. Теоретическая и практическая база построения сложного ПО 51

2.2. Архитектурные решения распределенного КТК 65

2.3. Математическая модель функционирования распределенного КТК 89

Выводы 98

ГЛАВА 3. Реализация программных инструментов в составе распределенного КТК для системы МН 100

3.1. Программная реализация компонентов тренажерного комплекса 100

3.2. Особенности разработанных архитектурных решений 107

Заключение 115

Список сокращений и условных обозначений 117

Словарь терминов 119

Список литературы

• Компьютерная поддержка процесса принятия диспетчерских решений
• Развитие используемых компьютерных технологий
• Архитектурные решения распределенного КТК
• Особенности разработанных архитектурных решений

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Мировой опыт показывает, что многие отечественные и зарубежные компании развивают концепции интеллектуальных производств, строят ситуационные центры и центры мониторинга, управляющие и поддерживающие принятие решений специалистами в режиме реального времени. Информатизация и компьютеризация, внедрение современных цифровых технологий в производственный процесс ставит перед компаниями сложную задачу упреждающей подготовки кадров, адаптированных к работе в новой информационно-управляющей среде. Для этого требуется внедрение новых технологий обучения, которые основываются на реализации концепции виртуальной среды профессиональной деятельности (ВСПД) специалистов, включающей следующие составляющие (функциональные среды):

имитации автоматизированных рабочих мест (АРМ) специалистов;

имитации реальных технологических процессов на основе компьютерных математических моделей;

имитации информационной среды деятельности персонала;

имитации систем мониторинга, контроля параметров технологических процессов, состояния и телеуправления объектами;

имитации основных штатных и нештатных технологических ситуаций, при которых персонал должен принимать оперативные решения;

имитации организационно-производственной среды принятия решений (средств и порядка взаимодействия уровней управления);

оценки эффективности работы персонала.

На практике концепция ВСПД реализуется использованием компьютерных тренажерных комплексов (КТК) - специальных аппаратно-программных систем.

Реализация концепции ВСПД находит широкое распространение в различных технологических областях (электроэнергетика, авиационный и железнодорожный транспорт, нефтегазоперерабатывающие предприятия и т.д.). Концепция начинает широко внедряться в подготовке кадров эксплуатирующих дочерних обществ ПАО «Газпром» и ПАО «Транснефть». Таким образом, концепция ВСПД является инновационным направлением развития современной системы профессионального обучения и повышения квалификации диспетчерского персонала в области

4
добычи, трубопроводного транспорта нефти и газа. В более строгой формулировке
задача полноценной имитации рабочего места специалиста может потребовать
включения в работу КТК существующих реализаций комплексов системы
поддержки принятия диспетчерских решений (СППДР), а также установки
компонентов тренажера на различных компьютерах, объединенных

вычислительной сетью (ВС); при этом компоненты могут быть созданы с использованием различных языков программирования и программных платформ.

На сегодняшний день в открытом доступе отсутствуют комплексные архитектурные решения распределенных КТК, реализующих ВСПД диспетчерских служб (ДС) ПАО «Газпром» и ПАО «Транснефть».

Объектом исследования диссертационной работы является компьютерная реализация виртуальной среды профессиональной деятельности ДС систем трубопроводного транспорта нефти и газа в индивидуальном распределенном КТК с использованием современных информационных технологий (ИТ).

Предметом исследования являются архитектурные решения, алгоритмы и
программные инструменты организации взаимодействия компонентов

распределенных КТК, реализующих виртуальную среду профессиональной деятельности диспетчеров систем трубопроводного транспорта нефти и газа.

Степень разработанности темы исследования. В работе отмечен и проанализирован вклад в области науки, связанные с темой диссертационного исследования, следующих отечественных и зарубежных ученых:

Григорьев Л.И., Шейнбаум В.С., Пятибратов П.В., Сарданашвили С.А., Митичкин С.К. и др. в области теоретических основ создания и применения отраслевых КТК, разработки инновационных образовательных технологий на основе создания виртуальных сред профессиональной деятельности;

Степин Ю.П., Трахтенгерц Э.А. в области теоретических основ построения компьютерных систем поддержки принятия управленческих решений, применимых для нефтегазовых технологических процессов и производств;

Леонов Д.Г., Швечков В.А., Васильев А.В., Папилина Т.М. и др. в области архитектурных решений и программной реализации многокомпонентных отраслевых компьютерных комплексов моделирования и поддержки принятия диспетчерских решений, применимых в диспетчерском управлении;

Лурье М.В., Сухарев М.Г., Сарданашвили С.А., Митичкин С.К. и др. в области математического моделирования режимов и решения задач поддержки принятия диспетчерских решений систем газонефтепроводов;

Баас Л., Гамма Э., Макконнелл С., Fowler M., Meier J., Shaw M., Trowbridge D. и др. в области применения лучших практик и программных инструментов для проектирования архитектуры программного обеспечения;

Олифер В.Г., Таненбаум Э., Buschmann F., Menasce D., Mhl G. и др. в области теоретических основ и информационных технологий для создания распределенных систем.

Цели и задачи. Цель диссертации – разработка и практическая реализация специальных архитектурных решений, алгоритмов, математических моделей, программных инструментов для организации взаимодействия и управления работой многокомпонентных распределенных компьютерных тренажерных комплексов, реализующих виртуальные среды производственной деятельности диспетчерского персонала систем трубопроводного транспорта газа и нефти.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Проведен анализ информационных, технических, технологических, организационных и управляющих подсистем, составляющих основу среды профессиональной деятельности ДС, а также обеспечивающих поддержку принятия диспетчерских решений, направленных на эффективную и безопасную эксплуатацию систем магистральных газопроводов (МГ) и магистральных нефтепроводов (МН).

2. Исследованы архитектурные решения отраслевых КТК, распространенные подходы к проектированию архитектуры программного обеспечения (ПО), современные ИТ на предмет применимости к созданию распределенных КТК.

3. Разработаны архитектурные решения и алгоритмы для организации взаимодействия и управления работой многокомпонентной распределенной вычислительной среды.

4. Разработана математическая модель функционирования распределенного тренажерного комплекса, как сложной многокомпонентной централизованно управляемой распределенной программной реализации концепции ВСПД.

6 5. Выполнена апробация разработанных архитектурных решений, алгоритмов программных инструментов в составе компьютерного тренажера диспетчера, который эксплуатируется в ДС АО «Транснефть – Север».

Научная новизна. Основные научные результаты состоят в следующем:

5. Разработаны новые архитектурные решения организации взаимодействия компонентов, распределенной обработки данных (в части информационного обмена), а также внутренней организации диспетчера компонентов, применимость которых к созданию распределенного компьютерного тренажерного комплекса подтверждена результатами его практической эксплуатации.

6. Разработаны новые алгоритмы предоставления изолированного пространства в хранилище данных компонентам распределенного тренажерного комплекса, составляющие основу архитектурных решений для организации распределенной обработки данных (в части информационного обмена).

7. Впервые разработана математическая модель функционирования многокомпонентного централизованно управляемого распределенного тренажерного комплекса, реализующего концепцию виртуальной среды профессиональной деятельности на основе разработанных архитектурных решений, с применением теории марковских случайных процессов и метода динамики средних.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результаты работы расширяют существующую теоретическую базу построения отраслевых программно-вычислительных комплексов новыми архитектурными решениями, алгоритмами и математической моделью. Разработанные архитектурные решения и алгоритмы применимы в новой области – создания интерактивных многопользовательских распределенных централизованно управляемых КТК с различными режимами функционирования и интенсивным информационным обменом между компонентами, что подтверждается результатами программной реализации. Разработанная математическая модель впервые позволила описать функционирование во времени распределенного КТК, реализующего ВСПД диспетчеров системы МГ и МН на основе разработанных решений; оценить комплексный показатель надежности его функционирования.

Результаты диссертации составили основу проектных решений управления
многокомпонентной информационно-вычислительной средой индивидуального
компьютерного диспетчерского тренажера для системы МН, созданного в РГУ
нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, принятого в промышленную
эксплуатацию в ДС АО «Транснефть - Север» ПАО «Транснефть». Область
практического применения результатов диссертационной работы не

ограничивается КТК для ДС системы МН, полученные результаты могут быть использованы при создании распределенных программно-вычислительных комплексов СППДР диспетчерских служб различных трубопроводных систем (газо-, тепло-, водоснабжения и т.п.).

Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации применены следующие методы:

общенаучные теоретические - анализа и синтеза - для исследования функциональных составляющих среды профессиональной деятельности диспетчерских служб систем МГ и МН;

общенаучные экспериментальные - моделирования - для формирования технических требований к программным инструментам организации взаимодействия удаленных компонентов распределенных комплексов на основе результатов анализа множества рассчитываемых режимных параметров систем МГ и МН;

специальные - теории проектирования архитектуры программного обеспечения и распределенных систем, теории конечных автоматов, объектно-ориентированного и сервис-ориентированного программирования, а также нагрузочного и стрессового тестирования - для разработки архитектурных решений, алгоритмов, создания и тестирования производительности программных инструментов организации взаимодействия и управления работой удаленных компонентов распределенного КТК.

Положения, выносимые на защиту:

1. Архитектурные решения, применимость которых к созданию распределенного тренажерного комплекса подтверждена результатами эксплуатации КТК:

- организации взаимодействия компонентов распределенного КТК,
выделяющие в составе КТК диспетчер компонентов (ДК), централизованно

8 управляющий работой комплекса посредством передачи управляющих сообщений компонентам, открывшим сессию соединения;

распределенной обработки данных (в части информационного обмена) удаленными компонентами распределенных КТК, выделяющими в составе КТК менеджер данных (МД), отвечающий за взаимодействие с исторической базой результатов и функционирующий под управлением ДК;

внутренней организации диспетчера компонентов, представляющие его совокупностью слабо сопряженных программных сервисов, между которыми организовано разделение сведений о состоянии целого комплекса (перечень открытых сессий соединения, подключенных пользователей, решаемых расчетных задач), управление процессом решения расчетных задач выстроено на основе сценариев, контролем выполнения шагов сценариев занимаются специальные менеджеры расчетных задач.

2. Алгоритмы предоставления изолированного пространства (ИП) в хранилище данных (ХД) компонентам распределенного КТК, составляющие основу разработанных архитектурных решений для организации распределенной обработки данных (в части информационного обмена).

3. Математическая модель функционирования распределенного КТК, позволяющая описать его работу во времени, а также дать оценку комплексного показателя надежности его функционирования.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность основных
результатов работы подтверждена реальной практикой эксплуатации

разработанного КТК диспетчерской службой АО «Транснефть-Север». Основные результаты докладывались на следующих семинарах и конференциях:

1. X Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 10 - 12 февраля 2014 г.).

2. 68-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2014» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 14 - 16 апреля 2014 г.).

3. XVIII научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности Сибири - 2014» (г. Тюмень, ООО «ТюменНИИгипрогаз», 19 - 23 мая 2014 г.).

4. XIV Всероссийский научный семинар «Математические модели и методы анализа и оптимального синтеза развивающихся трубопроводных и гидравлических систем» (г. Белокуриха, ИСЭМ СО РАН, 8 - 13 сентября 2014).

5. VI Международная научно-техническая конференция «Компьютерные технологии поддержки принятия решений в диспетчерском управлении газотранспортными и газодобывающими системами (DISCOM - 2014)» (г. Москва, ООО «Газпром ВНИИГАЗ», 18 - 19 ноября 2014 г.).

6. 69-я Международная молодежная научная конференция «Нефть и газ - 2015» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 14 - 16 апреля 2015 г.).

7. XI Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности (газ, нефть, энергетика)» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 20 - 23 октября 2015 г.).

8. XI Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (г. Москва, РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 8 - 10 февраля 2016 г.).

Публикации. Результаты исследований по теме работы опубликованы в 11 печатных работах: 3 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендуемых ВАК при Министерстве образования и науки РФ ], 2 работы в сборниках трудов семинаров и конференций ] и 6 тезисов докладов [ ].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа изложена на 130 страницах основного текста. Текст работы содержит 36 рисунков и 29 таблиц.

Компьютерная поддержка процесса принятия диспетчерских решений

Технологическая, организационно-управляющая и информационная среда, в которой работают ДС различных уровней ДУ системами МГ и МН, с одной стороны является многокомпонентной, с другой – распределенной.

Программное окружение ДС ДУ системами МГ и МН, как многокомпонентная среда, включает формализацию и программно-математическое представление: - технологических процессов, технологических объектов, алгоритмов работы систем автоматики и защит МГ и МН, реагирующих на управляющие воздействия (возмущения) со стороны ДС в процессе управления; - иерархической распределенной компьютерной СДУ, как средства автоматизации процесса ДУ системами МГ и МН, функционирующего на основе многоуровневых моделей; - информационного обеспечения процесса ДУ, основанного на использовании разнородных источников (база данных SCADA – системы, периодическое занесение параметров работы технологического оборудования в электронные журналы, доклады и оповещения) с различной периодичностью (соответственно, по изменениям значения, периодически, по требованию). Режимы работы систем МГ и МН, которыми управляют ДС, с одной стороны, контролируются и управляются ДС различных уровней ДУ, с другой – находятся под непрерывным «наблюдением» подсистемы (2) компьютерной СДУ, элементы которой функционируют в «фоновом» автономном режиме, выполняя заложенные алгоритмы без участия (но с уведомлением) диспетчера. В терминах теории автоматического управления системы МГ и МН могут быть рассмотрены в виде «объекта управления»; ДС и подсистемы компьютерной СДУ, самостоятельно генерирующих команды на контроллеры линейной телемеханики устройств управления – в виде «устройств управления» (рисунок 4) [8].

Простейшее схематическое представление следящей автоматизированной системы управления, где: u(t) – управляющее воздействие, w(t) – возмущение, оказываемое на объект управления, x(t) – реальное состояние объекта управления, g(t) –уставка регулирования, v(t) – ошибка регулирования

Таким образом, специфической особенностью систем МГ и МН является разделение функций оперативного управления объектом на несколько устройств управления (ДС и соответствующую подсистему компьютерной СДУ). Включение подсистемы (2) компьютерной СДУ в контур управления технологическим объектом диктует необходимость воспроизведения этой подсистемы в работе КТК (при планировании режимов работы систем МГ и МН как в on-line, так и в off-line режимах), то есть моделирования всех заложенных алгоритмов автоматического управления в рамках единого виртуального технологического процесса. Распределенный характер технологической, организационно-управляющей и информационной среды, в которой работают ДС ДУ системами МГ и МН, проявляется в том, что, во-первых, сам объект управления представляет собой сложный комплекс технологического оборудования и сооружений, распределенных на территории в сотни и тысячи километров. Во-вторых, ДУ системой МГ и МН организовано на основе многоуровневого иерархического принципа, ДС соответствующих уровней территориально удалены друг от друга. В-третьих, источники и потребители информации о системах МГ и МН (текущие и исторические сведения по режимам работы системы, состоянию технологического оборудования и т.п.) физически удалены друг от друга (например, контроллер измерительных приборов и соответствующая ДС, которая является «потребителем» данной информации). Кроме того, различными сведениями о системах МГ и МН владеют различные территориально удаленные друг от друга ДС, между которыми должно быть организовано разделение данных через специальные каналы передачи.

Комплексы поддержки принятия диспетчерских решений

СППР – компьютерная система, позволяющая лицу, принимающему решения (ЛПР), сочетать собственные субъективные предпочтения с компьютерным анализом ситуации. СППР используются при принятии решений в ситуациях, когда невозможно или нежелательно полагаться только на автоматическую систему, полностью выполняющую весь процесс управления [60].

Процесс принятия решения с помощью компьютерной СППР представляет собой циклическую человеко-машинную процедуру, в которой взаимодействие человека и компьютера состоит из фаз системного анализа и постановки задачи компьютеру, выполняемой ЛПР, а также поиска оптимальных стратегий управления (поиск решения), выполняемой компьютером. СППР обладают следующими характеристиками [60]: - помогают произвести оценку текущей ситуации, осуществить выбор критериев и оценить их значимость; - генерируют возможные альтернативные решения; - оценивают альтернативные решения и выбирают лучшее; - обеспечивают постоянный обмен информацией об обстановке принимаемых решений и помогают согласовать групповые решения; - моделируют реакцию технологических систем МГ и МН на принимаемые решения (в тех случаях, когда это возможно); - осуществляют динамический компьютерный прогнозный анализ возможных последствий принимаемых решений; - производят сбор данных о результатах реализации принятых решений и осуществляют оценку результатов.

Общая типовая структура СППР, применимая в процессе ДУ системами МГ и МН, представлена на рисунке 5; характеристика ее функциональных блоков приведена в таблице 5 [61]. Типовая структура СППР отражает «необходимый функциональный минимум», который система должна предоставлять ЛПР.

1 Анализ текущей ситуации Анализ данных и учет точек зрения руководителя или специалиста 2 Генерация возможных альтернативных решений Программная реализация аналитических и/или имитационных моделей; решения могут быть как типовыми (основанные на комбинации известных частных решений), так и неожиданными (принципиально новыми) 3 Оценка альтернативных вариантов решений Оценка и ранжирование (с учетом предпочтений руководителя и/или специалиста) большого количества альтернативных решений 4 Согласование групповых решений Сближение точек зрения различных руководителей и/или специалистов 5 Прогнозирование последствий принимаемых решений Моделирование и/или деловые игры 6 Анализе динамики (прогноз) развития ситуации Сравнение фактически полученных результатов с ожидаемыми, получение оснований для принятия решений о необходимости воздействия 7 Выбор решения ДУ Циклическая человеко-машинная процедура выбора решения (компьютер предлагает альтернативы, человек выбирает решение) СППДР – компьютерная СППР в области ДУ системами МГ и МН, в качестве ЛПР выступает диспетчер ДС. Основная цель применения СППДР – повышение эффективности диспетчерских решений на всех уровнях иерархии ДУ. СППДР предназначены для расчетной и информационно – аналитической поддержки процесса решения задач ДУ с целью сокращения временных, организационных и ресурсных затрат на формирование решение по управлению системами МГ и МН. СППДР предоставляют средства ситуационного и системного анализа состояния технологического процесса, а также оценки последствий возможных управляющих воздействий, в том числе: - идентификацию и диагностику текущего состояния технологического процесса (мониторинг и моделирование режимов); - прогнозирование и оптимальное планирование режимов работы; - выбор наиболее эффективных диспетчерских решений (многокритериальное сопоставление возможных альтернатив).

СППДР могут быть классифицированы на общесистемные и прикладные программные средства, объединенные общим информационным пространством (рисунок 6). Аналитические комплексы (в составе прикладных программных средств) обеспечивают хранение, поиск и предоставление данных в произвольной форме для анализа режимно-энергетических показателей работы системы. Расчетные режимно-технологические комплексы обеспечивают решение режимно-технологических задач адаптивного моделирования, оптимального планирования, прогнозирования режимов работы технологических объектов [53].

Развитие используемых компьютерных технологий

Сетевая модель OSI (англ. open systems interconnection basic reference model) – эталонная «справочная» модель взаимодействия открытых систем. Назначение ее состоит в обобщенном описании средств сетевого взаимодействия. Сетевое взаимодействие условно разделено на 7 иерархических уровней, каждый уровень характеризуется определенным кругом функциональных задач (таблица 16) [19]. Реализация задач каждого уровня выполняется одним или несколькими сетевыми протоколами – специальными «правилами» взаимодействия. Таблица 16 – Уровни сетевой модели OSI № Уровень Данные (протоколы) Назначение 7 Прикладной Сообщение(HTTP, FTP, SMTP) Предоставление сервиса сетевого взаимодействия программам и пользователям. 6 Представления Сообщение Представление данных в форме, понятной получателю; устранение различий в кодах символов; сжатие данных; шифрование данных. 5 Сеансовый Сообщение (RPC, PAP) Управление сеансом связи (установление / завершение; «договоренность» о параметрах обмена; управление «диалогом»). 4 Транспортный Сегмент(TCP, UDP) Прямая связь между узлами (передача данных с требуемой степень надежности; сегментирование сообщений и упорядочивание полученных сегментов; адресация приложений). 3 Сетевой Пакет(IPv4, IPv6) Логическая адресация (передача данных по сетям с различными технологиями; маршрутизация, т.е. передача по межсетевым соединениям). 2 Канальный Кадр(Ethernet, PPP, IEEE802.2) Физическая адресация (контроль доступности среды передачи; контроль корректности передачи кадра; исправление ошибок передачи).

Прикладная программа (в контексте данной работы – компонент КТК) для взаимодействия с другим удаленным компонентом обращается к верхнему (прикладному) уровню модели OSI, используя сетевой протокол, реализующий этот уровень. На стороне отправителя каждый уровень, к которому выполнено обращение, выполняет свои функции, затем транслирует обращение к нижележащему уровню. На стороне получателя трансляция обращений происходит в обратном порядке «снизу – вверх».

Сетевая модель DOD

Сетевая модель DOD – модель сетевого взаимодействия, разработанная Министерством обороны США. Модель основана на стеке протоколов TCP/IP – наборе сетевых протоколов передачи данных, используемых в современных ВС, в том числе и для организации работы сети Интернет. В отличие от модели OSI модель DOD не является чисто теоретической и используется на практике. Модель DOD включает 4 уровня, которые по функциональным задачам могут быть сопоставлены уровням модели OSI (таблица 17).

Передача информации по ВС в соответствии с современными подходами обеспечения взаимодействия распределенных систем [57, 81] возлагается на промежуточное программное обеспечение (ППО). ППО инкапсулирует рутинную работу сетевого обмена данными, позволяя разработчикам сосредоточиться на создании самой программы, а не на обработке тонкостей сетевого взаимодействия.

ППО функционирует на уровне представления и сеансовом уровне (таблица 16) сетевой модели OSI, то есть избавляет разработчиков распределенных систем от необходимости работы с транспортным уровнем (на котором существует множество различных протоколов, как гарантирующих доставку, так и нет). Соответственно, на уровне представления ППО инкапсулирует решение задач, связанных с устранением различий в представлении информации и представлением ее в форме, понятной получателю; на сеансовом уровне (опционально) управляет сеансами связи взаимодействующих элементов ПО; а также скрывает выполнение действий, необходимых для передачи на транспортном уровне [57]. ИТ для создания распределенных КТК

В работе под ИТ в соответствии с определением [15] будем понимать приемы, способы и методы применения средств вычислительной техники при выполнении функций сбора, хранения, обработки, передачи и использования данных.

Программная реализация распределенного КТК требует обеспечения (и применения соответствующих ИТ) сериализации/десериализации, уменьшения объема, защиты и непосредственной передачи данных по ВС. Поддержка потенциальной гетерогенности распределенного КТК может быть обеспечена выбором ИТ, имеющей готовую программную реализацию для целевых ЯП и ПП. Сериализация данных

В работе под сериализацией понимается процесс перевода данных из одного формата их представления (хранение в памяти компьютера компонентом КМ) в другой (для передачи по ВС) по определенным правилам. Соответственно, процессом, обратным к сериализации, является десериализация. В общем случае сериализация используется в следующих целях: - как типовой способ реализации устойчивости объектов, реализующий их сохранение с возможностью последующего восстановления [30]; - как способ упаковки данных при сетевом взаимодействии приложений; - как способ обнаружения факта изменений в большом объеме данных.

Для обеспечения корректной работы программного механизма сериализации на различных компьютерах необходимо обеспечить независимость от аппаратно-программной архитектуры (например, от разрядности ОС), то есть не должно возникать проблем следующего характера: - различий в порядке следования битов представления данных в памяти компьютеров различной аппаратно-программной архитектуры; - невозможности представления данных в необходимом формате данных (вещественные числа, строковые символы и т.п.). Варианты программных технологий сериализации данных, имеющих готовые реализации для большинства современных ЯП (C#, C++, Java и т.д.) и ПП (например, Microsoft .Net Framework), представлены в таблице 18. Таблица 18 – Варианты программных технологий для сериализации данных Группа Технология Особенности Штатные средства ПП Базовые средстватекстовойсериализации(CSV, XML и т.п.) Представляют данные в виде, удобном для восприятия человеком; добавляют вспомогательную разметку, что негативно сказывается на объеме результирующих данных Группа Технология Особенности Базовые средствабинарнойсериализации Ориентированы на широкий круг функциональных возможностей, зачастую получение высокой скорости обработки требует специальной настройки; данные имеют меньший объем, чем у текстовой Программные реализации сторонних разработчиков Google Flat Buffers Более высокая скорость обработки данных, чем у базовых средств бинарной сериализации ПП; различные ОС: Android, Windows, MacOS X, Linux Google Protocol Buffers Имеет ряд функциональных ограничений при высокой скорости обработки без специальной настройки и небольшом объеме данных BSON Бинарная сериализация, схож с Google Protocol Buffers, но менее требователен к схеме данных, отсюда более низкая скорость обработки Message Pack Бинарная сериализация, основанная на JSON YAML Акцент на удобство восприятия человеком, что негативно сказывается на объеме данных

Архитектурные решения распределенного КТК

В соответствии с концепцией сервис-ориентированной архитектуры ДК представляется в виде набора слабо сопряженных [32] программных сервисов, взаимодействие которых основано на заранее определенных интерфейсах. В соответствии с концепцией архитектуры, основанной на шине сообщений, интерфейс взаимодействия между сервисами реализуется на основе программных очередей сообщений, что позволяет им взаимодействовать, не располагая конкретными сведениями о внутренней организации друг друга [66].

На основе результатов анализа основных функциональных задач ДК разработана архитектура, включающая программные сервисы (таблица 27).

1 Сервис Прием, фильтрация и Очередь входящих и Сведения об взаимодействия с своевременная исходящих открытых сессиях компонентами отправка сообщений управляющих соединения с № Название (принятое обозначение) Функциональное назначение Интерфейс взаимодействия Актуализируемые сведения (операция) (Communication service). компонентам; регистрация активности компонентов. сообщений, передаваемых между ДК и удаленными компонентами комплекса. клиентскими компонентами (запись временной отметки получения сообщения).

2 Сервис выполнения базовых функций Core service). Решение «базовых» задач, характерных для любого распределенного комплекса моделирования Очередь входящих управляющих сообщений, подлежащих обработке сервисом. Сведения об открытых сессиях соединения с компонентами (создание и удаление).

3 Сервис выполнения служебных функций (Background service). Обеспечение работы служебных функций в фоновом режиме без участия и внимания пользователей Очередь входящих управляющих сообщений, которые подлежат обработке сервисом. Сведения об открытых сессиях соединения с клиентскими компонентами (удаление).

4 Сервис организации решения расчетных задач комплекса (Scenario service). Управление взаимодействием компонентов для обеспечения решения расчетных задач комплекса Очередь входящих управляющих сообщений, которые подлежат обработке сервисом. Сведения о расчетных задачах, решаемых в текущий момент времени (создание и удаление).

Сервисы (таблица 27) представляют собой самостоятельные программные подсистемы, которые функционируют в виде отдельных потоков (или даже изолированных процессов). Сервисы своевременно включаются в работу и исключаются из нее приложением диспетчера компонентов.

Работа сервисов использует принцип квантования времени на интервалы равной длины. В течении каждого временного интервала в очереди входящих сообщений сервиса накапливаются сообщения, полученные ДК. Сервисы производят последовательную выемку сообщений из очереди и занимаются их обработкой. На основе накопленных управляющих сообщений сервисы занимаются обновлением (актуализацией) определенных сведений (таблица 27). Сведения, актуализируемые одним сервисом, могут оказаться востребованы другим сервисом (пример подобной ситуации будет рассмотрен ниже). Временной интервал работы сервиса не может считаться завершенным, пока сервисом не будут обработаны все накопившиеся сообщения и обновлены соответствующие актуализируемые сведения. При этом актуализируемые сведения блокируются (становятся временно недоступными вне текущего сервиса) во время выполнения их обновления и деблокируются (становятся временно доступными) после завершения обновления. Сообщение, полученное ДК, изначально попадает на обработку в Communication service (очередь сообщений, подлежащих обработке этим сервисом, фактически является очередью входящих сообщений ДК). При получении сообщения Communication Service выполняет его проверку и регистрирует активность компонента (обновляет временную отметку получения последнего управляющего сообщения). Проверка управляющих сообщений призвана снизить нагрузку на ДК за счет фильтрации сообщений: - имеющих неверную структуру; - полученных от компонентов, сессии которых более не актуальны; - многократно дублируемых сообщений.

На основе результатов классификации сообщений (таблица 25) Communication service направляет проверенное сообщение на дальнейшую обработку, добавляя его в очередь соответствующего сервиса.

В отличие от остальных сервисов Communication service имеет очередь исходящих сообщений, в которую Core service, Background service и Scenario Service могут добавлять сообщения, подлежащие отправке клиентским компонентам. Очередь исходящих сообщений Communication service фактически является очередью исходящих сообщений ДК. На каждом временном интервале после завершения обработки входящих сообщений Communication service отправляет все сообщения, накопившиеся в очереди исходящих сообщений. Передача сообщений осуществляется только тем компонентам, сессии соединения которых активны на момент отправки. На рисунке 20 представлена организация временного интервала сервиса Communication service.

Особенности разработанных архитектурных решений

Дальнейшее развитие архитектурных решений КТК обусловлено различными вариантами практического использования КТК.

Не касаясь организационного и методического обеспечения отраслевых тренажерных комплексов [21, 22, 76], отметим, что отличительной особенностью коллективных КТК (перед индивидуальными) является возможность их использования в различных формах организации процесса обучения: - по месту проведения (без отрыва / с отрывом от производства); - по количеству задействованных уровней ДУ (одно-, многоуровневые); - по характеру разделения виртуального технологического процесса (изолированный для каждого обучаемого или единый для всех обучаемых).

В зависимости от места проведения тренировки (без отрыва / с отрывом от производства) может различаться компонентный состав КТК. Проведение тренинга на рабочем месте предполагает полноценную имитацию реального АРМ диспетчера, тогда как обучение с отрывом от производства может задействовать упрощенный компонентный состав комплекса, не в полной мере соответствующий реальному программному окружению диспетчера.

Одноуровневые коллективные тренажерные комплексы подразумевают организацию работы диспетчеров одного уровня иерархии ДУ (например, регионального диспетчерского пункта), многоуровневые – диспетчеров различных уровней иерархии ДУ (например, центральный диспетчерский пункт – ТДП). Одноуровневые и многоуровневые распределенные КТК могут быть установлены в территориально удаленных учебных центрах. Виртуальный технологический процесс, реализуемый в коллективном распределенном КТК, может быть либо «изолированным» (моделирование участка системы, находящегося в зоне ответственности отдельного диспетчера), либо «единым» для всех пользователей с предоставлением возможности внесения управляющих воздействий каждому из диспетчеров.

Таким образом, применение разработанных архитектурных решений в коллективных распределенных КТК диспетчеров систем МГ и МН возможно после их развития в соответствии со следующими функциональными требованиями: - для поддержки различного компонентного состава КТК должна быть обеспечена возможность описания сценариев решения расчетных задач (как совокупности шагов в виде упорядоченных троек: «ожидаемое условие», «выполняемое действие» и «условие выбора следующего шага») во внешних по отношению к ДК файлах (например, xml-файлах), а также возможность динамической загрузки содержимого сценария из соответствующего файла; - для обеспечения возможности организации решения одновременно нескольких расчетных задач необходима проработка внутренней организации менеджера актуализируемых сведений (в составе ДК), до сих пор рассматриваемого в виде «черного ящика», на предмет балансирования нагрузки между несколькими менеджерами расчетных задач (рисунок 35); - для реализации взаимодействия компонентов в рамках многоуровневого КТК необходимо исследование вариантов организации взаимодействия компонентов комплекса с учетом возможного различного поведения однотипных компонентов на различных уровнях ДУ (рисунок 36); - для сохранения приемлемой скорости выдачи результатов в условиях большего количества компонентов коллективных КТК (по сравнению с индивидуальными), которые могут быть связаны через внешние сети передачи данных, необходимы исследования в области минимизации объема и высокопроизводительного шифрования передаваемых данных.

Иллюстрация процесса отладки работы ДК с использованием «компонентов-заглушек», имитирующих поведение «реальных» компонентов при одновременном моделировании нестационарного режима системы МН

Развитие разработанных решений в соответствии с перечисленными функциональными требования позволит в дальнейшем использовать их в основе коллективного распределенных КТК диспетчеров систем МГ и МН.

1. Проведен анализ информационных, технических, технологических, организационных, управляющих подсистем, составляющих основу среды профессиональной деятельности ДС, а также обеспечивающих поддержку принятия диспетчерских решений, направленных на эффективную и безопасную эксплуатацию систем МГ и МН

2. Выполненный в работе анализ действующих систем ДУ ПАО «Газпром» и ПАО «Транснефть», основных функциональных компонентов СППДР, а также архитектурных решений существующих КТК показал, что реализация концепции ВСПД в диспетчерских тренажерах требует создания распределенных КТК на основе принципиально новых архитектурных решений, алгоритмов, а также программных инструментов для организации взаимодействия и управления работой компонентов, реализующими составляющие (функциональные среды) концепции ВСПД в едином информационном и вычислительном пространстве.

3. Подтверждена возможность реализации архитектурных решений распределенной ВСПД диспетчеров систем МГ и МН в виде программных инструментов в составе распределенного КТК на основе существующих ИТ.

4. Разработаны архитектурные решения организации взаимодействия и распределенной обработки данных (в части информационного обмена), внутренней организации ДК, алгоритмы предоставления ИП в ХД компонентам распределенного КТК. Разработанные решения и алгоритмы применимы для индивидуального и коллективного КТК, не ограничены функциональными возможностями какой-либо реализующей их ИТ, а также применимы в различных технологических областях.

5. Разработана математическая модель функционирования многокомпонентного централизованно управляемого распределенного КТК, реализующего концепцию ВСПД на основе разработанных решений, с применением теории марковских случайных процессов и метода динамики средних.

6. Созданы программные инструменты в составе индивидуального КТК для системы МН (общий транспортный модуль, ДК, МД, АРМА), реализующие разработанные архитектурные решения и алгоритмы. Эффективность разработанных программных инструментов, реализующих ВСПД диспетчеров систем газонефтепроводов, подтверждена реальной практикой эксплуатации разработанного КТК в ДС АО «Транснефть-Север».