Введение к работе
Актуальность работы
За последнее десятилетие во всех энергосистемах различных стран мира выросла потребность в наблюдаемости электроэнергетических сетей (ЭЭС) в целях обеспечения надежного и оптимального функционирования, а также для решения задач ситуационного анализа состояний ЭЭС. Вследствие чего значительно выросла детализация моделей, описывающих состояние наблюдаемых систем и потоки информации, консолидируемые диспетчерскими пунктами. Также, в связи с введением конкурентных, рыночных отношений, в информационную модель ЭЭС были включены новые переменные, такие как локальные цены на передачу, выработку электроэнергии, стоимость потерь и др. С момента перехода электроэнергетической отрасли на рыночные отношения стали повышаться требования к надежности функционирования энергосистем. Крупномасштабные каскадные системные аварии (США-Канада в 2003 году, Финляндия в 2003 году, Швеция-Дания в 2003 году, Италия-Швейцария в 2003 году, системная авария в России в 2005 году), происходящие во всем мире, свидетельствуют об недостаточном уровне оперативной ситуационной осведомленности диспетчерского персонала.
На экранах коллективного пользования посредством пользовательского интерфейса
отображается лишь некоторая часть всей поступающей информации. Диспетчерский
персонал ЭЭС, атомных и тепловых станций, ситуационных центров по принятию решений
должен воспринимать и обрабатывать колоссальные объемы постоянно изменяющихся
данных. Современные системы автоматизации и мониторинга, установленные на
объектах электроэнергетики, «вырабатывают» огромные объемы данных, описывающих состояние внутренних и внешних компонентов систем. Но этот поток данных приводит к снижению уровня информированности диспетчерского персонала по сравнению с предшествующим показателем данного критерия. Объяснением этого феномена служит сложность в восприятии предоставляемых данных и выделении необходимой для диспетчера информации для своевременного вывода системы из нештатных и аварийных режимов.
При возникновении нештатных и аварийных ситуаций, при ситуационном анализе состояния ЭЭС оператору необходимо контролировать весьма сложную систему. Решение вопроса о повышении эффектности работы диспетчерского персонала лежит в разработке новой системы отображения информации, позволяющей отображать большой объем, обеспечивать выделение необходимой информации, функциональную увязку, структурирование, эффективный поиск и навигацию, а также интеграцию данных различных информационных уровней.
Актуальность работы связана с необходимостью поиска и построения принципиально новых информационных решений в условиях ограниченного информационного пространства применяемых в настоящее время технологий - видеостен на пунктах диспетчерского управления и в ситуационных центах по принятию общесистемных решений. Использование технологии виртуального окружения в системах ситуационного анализа ЭЭС является новым шагом в развитии и повышении эффективности систем отображения диспетчерской и технологической информации в сфере электроэнергетики. Применение технологии виртуального окружения может существенно повысить качество предоставления информации за счет «погружения» операторов в виртуальную среду решаемой задачи. Также использование технологии виртуального окружения способствует созданию тренажёрных комплексов с инновационным человеко-машинным интерфейсом, повышающим эффективность процесса обучения за счет обеспечения взаимодействия оператора с виртуальными объектами и наглядного моделирования различных ситуаций и режимов в ЭЭС. Важным достоинством технологии виртуального окружения является возможность моделирования виртуальными аналогами различного реального оборудования, за счет чего увеличивается мобильность и универсальность тренажёрного комплекса.
Объектом исследования данной работы являются системы отображения диспетчерской и технологической информации, используемые для ситуационного анализа состояния системы, а также системы виртуального окружения.
Область исследований (специальность 05.13.01): разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации; методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах; визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является исследование и разработка нового метода отображения диспетчерской и технологической информации с применением технологии виртуального окружения для перехода на более качественный уровень работы операторов при подготовке и решении системных задач при ситуационном анализе состояния ЭЭС.
Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:
1.) анализ и построение модели процесса принятия решений диспетчерским персоналом
при ситуационном анализе состояния ЭЭС, а также анализ влияния трехмерного
представления данных на процесс принятия решения. На их основе разработать метод
отображения диспетчерской и технологической информации с использованием трехмерного
представления и технологии виртуального окружения;
2.) выбор структуры и состава трехмерных моделей виртуальной сцены, их атрибутов и свойств. Разработка интегрированных вспомогательных виртуальных объектов для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способов интеграции различных информационных уровней. Разработка алгоритмов прогнозирования будущих состояний наблюдаемой системы;
3.) разработка метода н алгоритмов для представления наблюдаемой системы алгебраическими сетями академика Тыугу и рефлексивными рассуждающими сетями с целью решения задач моделирования процессов принятия решений;
4.) создание экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажерных комплексов на основе предложенных в работе концепций, алгоритмов и моделей.
Методы исследовании
Для решения задач, поставленных в работе, использовались положения общей теории принятия решений, принципы ситуационной осведомленности операторов сложных систем реального времени, теория алгебраических сетей, методы вычислительной математики и компьютерной графики.
Научная новизна работы
До последнего времени было предложено лишь несколько технических приёмов отображения информации для приложений в сфере ситуационного анализа состояния ЭЭС. Общие концепции, применимые для использования в технологии виртуального окружения в задачах ситуационною анализа до сих пор не разработаны. В настоящее время не существует экспериментальных образцов использования систем виртуального окружения для задач отображения диспетчерской и технологической информации для ситуационного анализа ЭЭС. Научная новизна заключается в том, что в работе впервые в отечественной практике создания систем отображения диспетчерской и технологической информации для ситуационного анализа состояния ЭЭС, поставлена и решена задача разработки алгоритмического обеспечения и экспериментального образца программно-аппаратного комплекса, позволяющего обрабатывать и отображать необходимую для оператора информацию с использованием технологии виртуального окружения.
Практическая значимость работы
В рамках исследований разработан экспериментальный образец системы отображения информации, представляющий макро- и микро-данные о состоянии энергосистемы:
визуализация потоков мощности в целом (ситуационные схемы), а также визуализация
состояния отдельных элементов и их режимных параметров (однолинейные схемы) электроэнергетической системы. Представлен новый подход к построению систем отображения диспетчерской информации с применением технологии виртуального окружения, ориентированной на многопользовательскую аудиторию. Внедрение результатов исследований обеспечивает:
- создание нового класса тренажёров и систем визуализации диспетчерско-
технологической информации;
- сокращение времени обучения оперативного и эксплуатационного персонала;
повышение качества используемых моделей визуализации диспетчерско-технологической информации;
- частичное снятие ограничений, наложенных на информационное поле используемых
технологий, путем «погружения» оператора в виртуальную среду.
Применение систем виртуального окружения существенно повышает эффективность использования новой техники, позволяет удешевить и ускорить процесс обучения эксплуатационного персонала. Системы виртуального окружения, особенно системы полного погружения пользователя, предоставляют возможность быстрого восприятия и обработки многомерной информации, работа с которой значительно затруднена при использовании классических методов отображения данных.
Достоверность научных положений подтверждается созданным экспериментальным образцом системы отображения информации, а также апробацией разработанного экспериментального образца на установках виртуального окружения.
Реализация
В результате проведенных исследований разработан экспериментальный образец системы отображения диспетчерской и технологической информации с использованием технологии виртуального окружения. Созданный программный комплекс опробован в институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск). Использование предложенного способа отображения информации улучшает восприятие ситуационного состояния наблюдаемой ЭЭС. Разработанный экспериментальный образец системы отображения диспетчерской и технологической информации внедрен для демонстраций и использования в проектных решениях в Институте физико-технической информатики, в Московском физико-техническом институте (государственном университете), в Международном центре по ядерной безопасности Минатома России, в Государственном научном центре РФ ОАО «Научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения».
Целесообразность использования положений, описанных в работе, при создании имитационно-тренажёрных комплексов по ситуационному анализу ЭЭС подтверждена 4 актами внедрения, приведенными в приложениях.
Апробация работы
Материал диссертационной работы докладывался и обсуждался на первой международной научной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009г.), организованной Министерством образования и науки РФ, РАН; на 52-ой Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием Московского физико-технического института (МФТИ) «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2010г.); на международной конференции «MEDIAS — 2010» (г.Лимассол, р.Кипр, 2010г.), организованной Средиземноморским институтом прикладных наук. МФТИ, Кафедрой системной интеграции и менеджмента и Университетом Никосии, а также на научном семинаре ОАО «Научно-исследовательский центр электронной и вычислительной техники» (Москва, 2009г.).
Результаты исследований представлялись и получили одобрение экспертов в финале конкурса русских инноваций - «Умные сети будущего», а также включены в отчет по проекту Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-08-01009-а) «Разработка прототипа системы визуализации диспетчерско-технологической информации для управления электроэнергетическими объектами на основе технологии виртуального окружения».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 - в ведущих рецензируемых научных журналах Российской Федерации (перечень высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации).
Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических исследований и разработки экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов на основе предложенных в работе методов, алгоритмов и моделей и оформлении результатов в виде публикаций и научных докладов.
Структура и объем работы
Диссертация общим объемом 138 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений А-Д. В работе содержится 48 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 105 наименований.
Основные положения, выносимые на зашиту
-
Проведение анализа и теоретической оценки эффективности применения технологии виртуального окружения в задачах ситуационного анализа состояния электроэнергетических систем. Построение модели процесса принятия решения диспетчерским персоналом при ситуационном анализе состояния ЭЭС и на ее основе разработка способа отображения диспетчерской и технологической информации с использованием технологии виртуального окружения.
-
Выбор структуры и состава трехмерных моделей виртуальной сцены, их атрибутов и свойств. Разработка и создание интегрированных вспомогательных виртуальных объектов для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способов интеграции различных информационных уровней. Разработан алгоритм построения карт эиергетической безопасности систем электроснабжения регионов для прогнозирования будущих состояний наблюдаемой системы.
-
Разработка методов и алгоритмов для представления наблюдаемой системы алгебраическими сетями академика Тыугу и рефлексивными рассуждающими сетями с целью решения задач моделирования процессов принятия решения.
-
Создание экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов на основе предложенных в работе методов, алгоритмов и моделей.
