Системна організація та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру (для вугільної промисловості)

Размещено на http://www.allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ІМ. Г.Є. ПУХОВА

05.13.06 - «Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології»

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Системна організація та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру (для вугільної промисловості)

Чепцов Олексій Олексійович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електронних обчислювальних машин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Святний Володимир Андрійович,

завідувач кафедри електронних обчислювальних машин Донецького національного технічного університету МОН України, м. Донецьк.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Каргін Анатолій Олексійович,

завідувач кафедри комп'ютерних технологій Донецького

національного університету МОН України, м. Донецьк.

кандидат технічних наук, доцент

Турченко Володимир Олександрович,

доцент кафедри інформаційно-обчислювальних систем та управління Тернопільського національного економічного університету МОН України, м. Тернопіль.

Провідна установа: Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут» МОН України, м. Київ

Захист відбудеться «_21_» червня 2007 року о _12_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01 в Інституті проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України за адресою: м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім.Г.Є.Пухова НАН України за адресою: м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15

Автореферат розісланий «_17_» травня 2007 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.185.01,

кандидат технічних наукСемагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

Створення автоматизованих систем управління (АСУ) складними динамічними системами (СДС) різноманітної фізичної природи та моделювання як методи дослідження набувають в останній час нових функціональних якостей. Математичні моделі та засоби їх реалізації в усе зростаючій мірі використовуються як для забезпечення модельного супроводу АСУ-проектів, так і для керування технологічними процесами та об'єктами виробництв багаторівневої структури з робочих місць користувачів, що мають доступ до моделей керованих об'єктів. Ця обставина позитивно впливає на теорію і практику побудови АСУ різних предметних областей та моделювання як розділ сучасної науки та техніки: в предметних областях активізується розробка моделей реальних промислових систем, алгоритмів функціонування АСУ та сучасних засобів їх реалізації у виробничих умовах. Перед спеціалістами в галузі комп'ютерного моделювання виникли нові задачі проектування, реалізації та системної організації універсальних та проблемно-орієнтованих засобів моделювання нового покоління у формі моделюючих середовищ та центрів моделювання, які в достатній мірі враховують специфіку керованих динамічних систем та процесів предметних областей. Аналіз показує, що фактором, який об'єднує різні предметні області як сфери застосування методів та засобів моделювання й інформаційних технологій, є наявність в них СДС. Основними показниками складності СДС є велика розмірність векторів невідомих змінних, що характеризують стан СДС, нелінійність фізичних характеристик елементів СДС, розподілений характер параметрів процесів за просторовими координатами, безперервний, дискретний та безперевно-дискретний характер динамічних процесів, ієрархічність об'єктів, фізична та інформаційна багатозв'язаність параметрів за рівнями ієрархії, багатокритеріальність задач керування та ін. Актуальною спільною проблемою інформаційних технологій та сучасного моделювання є створення методів та засобів подолання складності виконання всіх етапів розробки та експлуатації моделей динамічних систем.

Вугільна промисловість є суттєвою складовою вітчизняної економіки, в якій наявні СДС, що критичні за умовами безпеки. Шахтні вентиляційні мережі (ШВМ) є складними системами, що потребують подальшого розвитку методів і засобів моделювання аеро- та газодинамічних процесів як об'єктів керування; модельної підтримки оперативного керування об'єктами вентиляційних мереж з метою забезпечення планової продуктивності шахт та недопущення аварійних вибухонебезпечних ситуацій. З огляду на складність структури ШВМ як об'єктів моделювання та керування, актуальною є розробка способів системної та алгоритмічної організації засобів реалізації та використання моделей, дружньої до користувачів об'єктно-орієнтованої методики підготовки масивів даних топологій мереж до вводу в моделі, представлення результатів моделювання, організації передачі й обміну інформацією між шахтами як клієнтами модельних послуг.

Метою роботи є побудова організаційної й інформаційної структури, розробка та дослідження моделюючого сервісного центру з універсальними та проблемно-орієнтованими компонентами, що гнучко адаптуються до потреб заданої предметної області, для забезпечення модельної підтримки розробок та експлуатації керованих складних динамічних систем.

Для досягнення поставленої мети в дисертації необхідно вирішити наступні основні задачі:

Розробити структуру та функції моделюючого сервісного центру (МСЦ) загального призначення, сформулювати методику адаптування МСЦ до вимог конкретної предметної області.

Визначити множину та класифікацію моделей заданої предметної області з урахуванням їхнього функціонального призначення. Окреслити моделі всіх рівнів, що призначені для розв'язку задач вугільної промисловості та підлягають включенню до МСЦ.

Дослідити можливості використання наявних чисельних методів аналізу моделей. Розробити алгоритми адаптації методів для типових класів моделей заданої предметної області.

Розробити структуру організації взаємодії обчислювальних ресурсів МСЦ, що забезпечує рішення складних задач оперативного контролю й управління технологічними процесами в реальному часі та є орієнтованою на реалізацію UML-моделей складних динамічних систем.

Для обраної структури МСЦ розробити технологію об'єктної реалізації проблемно-орієнтованих алгоритмів і моделюючих програмних компонентів (симуляторів), що реалізують дискретні моделей заданої предметної області.

Експериментально дослідити працездатність розроблених симуляторів та алгоритмів їхнього функціонування на прикладі рішення технологічних задач вугільної промисловості. алгоритм чисельний симулятор

Об'єкт дослідження - розподілене багаторівневе інформаційно-обчислювальне середовище (моделюючий сервісний центр) для розв'язку методами комп'ютерного моделювання задач, що виникають при розробці та експлуатації автоматизованих систем управління у вугільній промисловості.

Предметом досліджень є системна організація та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру на основі методів об'єктно-орієнтованого моделювання.

Методи дослідження.

При проведенні досліджень та розробок МСЦ використовувалися методи математичного моделювання, прикладної й обчислювальної математики, теорії диференціальних рівнянь, апарат лінійної алгебри, зокрема теорії матриць, теорії чисельних методів. Для програмної імплементації моделей, що супроводжувалася проведенням тестових експериментів на локальному та розподіленому системному рівнях, застосовано методи об'єктно-орієнтованого проектування та уніфіковані стратегії проектної та компонентної розробки.

Наукова новизна дисертації полягає у наступному.

Розроблено узагальнені структуру та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру, який призначено для розв'язку задач модельного супроводу розробок та експлуатації керованих складних динамічних систем. Запропоновану структуру адаптовано до задач оперативного контролю та автоматизованого управління шахтними вентиляційними системами.

Дано класифікацію моделей об'єктів та процесів сучасного вугільного підприємства та вугільної галузі в цілому, яка базується на принципі ієрархії за функціональністю розв'язуваних технічних, технологічних та управлінських задач, і є основою структурної й логічної організації засобів моделювання. Визначено позицію множини моделей всіх рівнів функціонування керованих об'єктів вугільної промисловості в запропонованій класифікації.

Розповсюджено UML-підхід до інформаційно-програмної організації дискретних симуляторів, що реалізують моделі всіх рівнів ієрархії, на алгоритми перетворення формальних описів об'єктів предметної області.

Запропоновано спосіб організації ресурсів і компонентів МСЦ, який базується на Grid-технології системної організації багаторівневих територіально розосереджених комп'ютерних систем та мереж, UML-інструментарії створення проблемно-орієнтованих компонентів, і забезпечує рішення складних задач оперативного контролю та автоматизованого управління технологічними процесами в режимі реального часу.

Практичне значення одержаних результатів. Запропоновані в дисертації підходи та розроблені технології впроваджено у прототипі МСЦ для вугільної промисловості, в якому для заданої предметної області реалізовано симулятори таких об'єктів: лави, відкатного та вентиляційного штреків, системи провітрювання видобувної дільниці, стволів подачі та відводу повітря, шахтної вентиляційної системи як об'єктів з розподіленими параметрами, а також алгоритми спільного використання цих симуляторів для розв'язку задач оперативного керування та контролю.

Прототип моделюючого сервісного центру для вугільної промисловості апробовано на шахті „Південно-Донбаська №3” (м. Вугледар) і використано для рішення виробничих, проектних і дослідницьких задач технологічного напрямку «Техніка безпеки та провітрювання», про що складено відповідний протокол. На основі результатів апробації реалізованих симуляторів і алгоритмів проект моделюючого сервісного центру було рекомендовано Державною гірничотехнічною інспекцією Держпромгірничнагляду МНС України та оперативним загоном депресійної служби у практичне впровадження на підприємствах вугільної промисловості.

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних у співавторстві, автору належать: рекомендації з орієнтації моделюючих сервісних центрів на специфіку заданої предметної області [2]; алгоритм знаходження внутрішніх граничних умов у моделях мережних динамічних об'єктів з розподіленими параметрами, експериментальні дослідження вирішувачів рівнянь на віддалених паралельних обчислювальних комплексах [3]; методика системної організації моделюючого сервісного центру [5]; методика застосування моделюючих програмних компонентів для рішення задач аналізу, контролю та керування шахтними автоматизованими системами [7].

Апробація. Результати роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях «Моделювання та комп'ютерна графіка», ДонНТУ (м.Донецьк, 2005), «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії», Національний університет «Львівська політехніка» (м.Львів-Славсько, 2006), на міжнародних симпозіумах з моделювання ASIM (2003-2006, Німеччина), на наукових конференціях ДонНТУ (2004-2006), на робочих семінарах кафедри ЕОМ ДонНТУ й інституту Автоматизації і програмного забезпечення (IAS) Штутгартського університету (Німеччина).

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Робота виконана за держтемою кафедри ЕОМ H25-2000 УДК 681.3 «Дослідження і розробка засобів програмної підтримки проектування інформаційних технологій і комп'ютерних систем», відповідає розділу державної програми «Розробка конкурентоспроможних методів моделювання складних систем» та темі угоди про наукове співробітництво з Штутгартським університетом «UML-підтримка проектування автоматизованих систем та середовищ моделювання». Автор брав участь у цих дослідженнях як виконавець.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 7 статтях в наукових збірках, 3 з яких входять до переліку видань ВАК України. 4 статті написані в співавторстві.

Структура й обсяг роботи. Текст дисертації складається зі вступу, п'яти глав і висновків, що викладено на 140 сторінках. Робота містить 4 додатки, протокол впровадження та включає 44 рисунка, 16 таблиць і список використаної літератури зі 123 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету досліджень, наведено основні наукові положення та практичні результати роботи, що виносяться на захист.

В першому розділі „Аналіз стану питання та задачі досліджень” розглянуто роль та значення метода комп'ютерного моделювання в розробці сучасних АСУ, означено ступінь впливу прогресивних інформаційних технологій на розвиток моделюючої техніки нового покоління. Наведено класифікацію систем моделювання, зокрема у відповідності до об'єму моделей, що реалізуються, форми їх представлення та предметної спеціалізації, а також апаратних ресурсів та обчислювальних платформ, що застосовуються під час моделювання. Проаналізовано сучасні мови моделювання, розглянуто їх класифікацію відповідно до форми первісного представлення та алгоритму розробки моделей. Розглянуто принципи побудови сучасних засобів моделювання із використанням інформаційних технологій, методик та засобів об'єктно-орієнтованого програмування.

В якості основної тенденції розвитку сучасних моделюючих засобів для автоматизованих систем багаторівневої структури визначено їх організацію в складі розподілених моделюючих середовищ, які є формою сумісного функціонування апаратних ресурсів, системного та моделюючого програмного забезпечення, що підтримує всі етапи побудови та використання моделей. Моделюючі середовища, що розробляються, класифіковано на універсальні та проблемно-орієнтовані. Означено проблеми та недоліки застосування проблемно-орієнтованих моделюючих середовищ для керованих динамічних систем великої функціональної та топологічної складності.

Показана необхідність розробки нових підходів до системної організації й алгоритмічної реалізації носіїв досліджуваних моделей, методик їх подальшої функціональної орієнтації на специфіку предметних областей, наявність творчих задач у постановках проблем і пошуках ефективних методів дискретизації моделей, методик реалізації програмних моделюючих компонентів. Це характеризує актуальність дисертаційних досліджень та є обґрунтуванням теми дисертаційної роботи. Аналіз сучасних областей впровадження засобів моделювання дозволив виявити основні об'єкти модельної підтримки в якості динамічних систем, систематизувати їхні особливості та методи формального опису, визначити основні критерії та показники складності реалізації їхніх моделей, що дало можливість сфокусувати принципи розробки сучасних засобів модельної підтримки та супроводу на задачах проектування та експлуатації систем керування, контролю та автоматизації виробництв, технологічних об'єктів і процесів, сформулювати вимоги до їхньої розробки з орієнтацією на специфіку динамічних систем різних предметних областей. Проведений аналіз дозволив означити напрямки розробок і сформулювати мету та задачі досліджень.

В другому розділі „Основи розробки моделюючого сервісного центру заданої предметної області” запропоновано розподілене багаторівневе інформаційно-обчислювальне середовище (моделюючий сервісний центр), яке призначено для розв'язку методами комп'ютерного моделювання задач, що виникають при розробці та експлуатації автоматизованих керованих складних динамічних систем заданої предметної області.

Розроблено організаційну структуру моделюючого сервісного центру (МСЦ), яку складають:

локальні авторизовані робочі місця користувачів сервісних послуг, що надаються МСЦ (для вугільної промисловості - відділ вентиляції та техніки безпеки (ВТБ), обчислювальний центр (ОЦ), а також автоматизовані системи управління (АСУ), що є підключеними до локальної обчислювальної мережі (ЛОМ) шахти);

алгоритмічно-програмні ресурси постановників задач - науково-дослідницьких інститутів, що спеціалізуються в предметній області МСЦ і надають основну обчислювальну й алгоритмічну підтримку задач, що реалізуються на його основі (Донецький національний технічний університет, Макіївський державний науково-дослідницький інститут безпеки робіт в гірничої промисловості та ін.);

ресурси власників обчислювальних засобів - партнери ДонНТУ, що приймають участь у розробці та надають у використання надпродуктивні паралельні обчислювальні ресурси (Штутгартський університет, Магдебурзький університет та ін.);

засоби підтримки прийняття рішень від контролюючих та експертних організацій, що спеціалізуються в предметній області МСЦ (Державна гірничотехнічна інспекція Держпромгірничнагляду України та ін.).

Запропоновано класифікацію моделей керованих динамічних систем та процесів предметної області, що є новим підходом до структурної та логічної організації засобів моделювання у рамках МСЦ. На основі аналізу специфіки організації та забезпечення гірничих робіт вугільних шахт, стану розробок й впровадження автоматизованих систем визначено наступні основні технологічні напрямки, що є джерелами задач МСЦ для вугільної промисловості: техніка безпеки (ТБ) і провітрювання (TR1), вуглевидобування (TR2), енергозабезпечення (TR3), транспортна система та доставка (TR4), система водовідливу (TR5), автоматизовані системи (TR6), шахтоуправління (TR7), економічна система (TR8).

Об'єкти модельної підтримки виділених технологічних напрямків за функціональними ознаками віднесено до наступних „вертикальних” рівнів ієрархії: рівень процесів (HE1), рівень видобувних дільниць (HE2), рівень групових регуляторів і зв'язків між видобувними дільницями (HE3), рівень шахти (HE4), рівень шахтного об'єднання (HE5), рівень міністерства (HE6).

Виділено наступні задачі розробки моделей динамічних систем в рамках запропонованої класифікації та ієрархічних взаємозв'язків:

кожна зі складових представляється як IJ(K)-об'єкт (де I - функціональний рівень, J - технологічний рівень, К - об'єкт/процес);

для виділених об'єктів визначаються вертикальні функціонально-об'єктні (HEi=const) та горизонтальні компонентно-топологічні взаємозв'язки (TRj=const);

для розробки IJ(K)-об'єктів необхідно специфікувати єдиний для всіх моделей та універсальний для різних предметних областей процес розробки, що на основі первісного

опису об'єкта або процесу досліджень у вигляді математичної моделі приводить до реалізації програмних компонентів, які вбудовуються в МСЦ у відповідності до його системотехнічного рішення;

для програмних моделюючих компонентів, що реалізують функціональність моделей, необхідно визначити стратегію розробки, яка повинна відповідати вимогам до МСЦ і базуватися на сучасних технологіях створення програмних продуктів;

програмні моделюючі компоненти, розроблені та імплементовані засобами програмного середовища проекту МСЦ, підлягають дослідженню, експериментальній апробації та наступній інтеграції зі службовими та моделюючими компонентами МСЦ, який здійснює функції їхньої системної організації в рамках розподілених обчислювальних ресурсів;

на основі реалізованих симуляторів визначаються послідовність і спосіб вирішення технологічних задач заданої предметної області.

На основі запропонованої класифікації моделей визначено наступні основні напрямки та цілі впровадження МСЦ в задану предметну область:

Модельна підтримка задач проектування шахтних вентиляційних мереж.

Оперативний аналіз і прогнозування аэрогазодинамічної ситуації в критичних за умовами безпеки дільницях і об'єктах шахтних вентиляційних мереж.

Модельний супровід шахтних технологічних об'єктів і систем у період їхнього проектування та експлуатації, включаючи функції автоматизації та керування.

Для досягнення поставлених цілей визначено задачі заданої предметної області, що підлягають рішенню за допомогою МСЦ.

Сформульовано та обґрунтовано функціональні та організаційні вимоги до МСЦ та його компонентів, методику адаптування МСЦ до вимог заданої предметної області.

В третьому розділі „Розробка симуляторів для об'єктів класифікації моделей заданої предметної області” запропоновано уніфікований алгоритм, за яким для кожного IJ(K)-об'єкта ієрархії моделей МСЦ реалізуються етапи розробки |модель (model)| - |модель у формі, зручній для застосування чисельного методу (simulation model)| - |дискретна форма моделі, придатна для чисельного вирішення (discrete simulation model)| - |UML-модель (UML-Model)| - |симулятор|. Алгоритм поширено на класифікацію моделей заданої предметної області.

Модель (model) - це представлення топології та математичний опис динамічних процесів, що протікають в об'єктах досліджень. В складі МСЦ передбачено моделі для динамічних систем з

зосередженими (ДСЗП-моделі) і розподіленими (ДСРП-моделі) параметрами. У загальному випадку ДСЗП-модель містить нелінійні та лінійні диференціальні рівняння різних порядків, алгебраїчні рівняння. ДСРП-модель представляється диференціальними рівняннями в частинних похідних. Отримано модель системи вентиляції вуглевидобувної дільниці (СВВД) шахтної вентиляційної мережі, яка складається з рівнянь відкатного штреку

(1)

апроксимованого паралельними повітряними потоками відпрацьованого простору

(2)

Лави

(3)

вентиляційного штреку

 (4)

та граничних умов:

значення тисків в пунктах підключення СВВД до ШВМ:

;(5)

значення тисків на вході в лаву та на виході з неї:

;(6)

умови безперервності тисків впродовж штреків, що сполучені з відпрацьованим простором (зона фільтрації повітря):

.(7)

Тут p1, p2, p3, pg - тиск відповідно у відкатному штреку, лаві, вентиляційному штреку, відпрацьованому просторі; Q1, Q2, Q3, g - витрати повітря; - просторова координата, - густина повітря; а - швидкість звуку в повітрі; F1..g - площа поперечного перетину елементу СПВД; r1..g - еквівалентний питомий аеродинамічний опір; r(t), - змінні аеродинамічні опори у штреках; l1..g - довжина елементу СПВД; - кінематичний коефіцієнт в'язкості, k - коефіцієнт проникнення, m - коефіцієнт пористості.

Модель (1)-(4) разом з граничними умовами (5)-(7) приводиться до системи рівнянь у вигляді simulation model. При цьому використано різницеву апроксимацію похідних за прос-торовими координатами. Для системи (1)-(7) застосовано метод прямих, який дає кінцево-різницеву схему безперервних фільтраційних потоків у відпрацьованому просторі та в штреках і лаві.

Для фіксованих елементів СПВД simulation model презентується системою звичайних диференціальних рівнянь

(8)

де ; , y - кроки апроксимації;

Mx, MY - кількість апроксимуючих елементів впродовж координат X та Y відповідно.

Граничні точки паралельних фільтраційних потоків співпадають з точками апроксимації штреків. Шляхом вибору одного з чисельних методів рішення диференціальних рівнянь (зокрема методу Адамса-Башфорта 2 порядку) система (8) трансформується в дискретну форму.

Розроблено дискретні моделі (discrete simulation model) штреків, лави, відпрацьованого простору та стволів, системи вентиляції видобувної дільниці (9). В цих моделях: i=0,1,2… - номер кроку чисельного методу; h - крок обчислень в чисельному методі; Q={Q1, Q2, Q3, g}T, P={P1, P2, P3, Pg}T - вектори аеродинамічних параметрів СВВД; MY - кількість паралельних фільтраційних потоків, що дорівнює кількості апроксимуючих елементів штреку довжиною , MX - кількість апроксимуючих елементів довжиною вздовж одного фільтраційного потоку.

(9)

Моделі рівня 41(3) складаються із m рівнянь для гілок та n рівнянь для вузлів ШВМ. При апроксимації гілок за методом прямих поряд із базовою топологією у формі графа будується вторинна топологія ШВМ, що містить послідовно зв'язані елементи гілок та фрагменти типу схем. Розглянуто матрично-векторний запис рівнянь ШВМ та алгоритм визначення внутрішніх граничних умов для дискретної ШВМ-моделі. Передбачено включення в МСЦ топологічного аналізатора та генераторів рівнянь ШВМ як об'єкта з розподіленими параметрами.

Запропоновано формалізувати розробку об'єктно-орієнтованих програмних компонентів (симуляторів дискретних моделей) на основі UML-засобів з застосуванням принципів спадкування, агрегації та компонентної інтеграції.

В четвертому розділі „Системна організація МСЦ” розвинуто принцип системної організації моделюючого сервісного центру на основі Grid-інфраструктури, який дозволяє розширити область впровадження компонентів розподілених моделюючих середовищ за рівнями ієрархії моделей для заданої предметної області. Використання моделей передбачено шляхом надання відповідних моделюючих сервісів, розташованих на базі функціонально-розподілених серверних компонентів МСЦ (Інтернет-сервер, сервер моделей, сервер баз даних та ін.) і територіально-розподілених надпродуктивних MIMD-ресурсів ДонНТУ та Штутгартського університету, доступних територіально віддаленим користувачам МСЦ через мережу Інтернет за протоколами SOAP/HTTP.

Для розробки моделюючих програмних компонентів та інтеграції симуляторів у МСЦ запропоновано підхід, що представляє собою RUP(Rational Unified Process)-об'єктно-орієнтовану стратегію, тісно інтегровану з уніфікованою мовою моделювання UML. Із застосуванням UML-технологій охоплюються такі аспекти розробки й практичного використання симуляторів МСЦ, як представлення об'єктів дослідження (опис топології й параметрів об'єктів дослідження), компонентна реалізація симуляторів (адміністрування компонентної організації моделюючого програмного забезпечення Grid-системи), використання симуляторів (документування функціональності симуляторів, взаємодія з іншими компонентами), системна організація (підтримка в актуальному стані структури та складу ресурсів МСЦ), реалізація алгоритмів моделювання в симуляторах. Розроблена в дисертації технологія створення проблемно-орієнтованих моделюючих компонентів складається з фаз постановки задачі, системного аналізу, проектування та реалізації. При цьому актуальною задачею була адаптація фаз розробки до особливостей задач моделювання та специфіки заданої предметної області МСЦ. Цю задачу вирішено шляхом розробки спеціалізованого UML-інструментарію повнофункціонального та дружнього до користувачів МСЦ відображення взаємозв'язків між формальним описом складних динамічних систем та UML-базованим представленням проблемно-орієнтованих компонентів МСЦ.

Розроблено UML-діаграми предметної області, симуляторів, даних. Модифіковано UML-діаграми діяльності (Deployment diagram), часу (Timing diagram), розгортання (Deployment diagram), послідовності (Sequence diagram), класів (Classes diagram).

В п'ятому розділі „Імплементація, тестування та експериментальна апробація моделей МСЦ” імплементовано симулятори розроблених дискретних моделей заданої предметної області. Для тестування симуляторів та алгоритмів функціонування розроблено ASP.NET-тестовий прототип МСЦ, в якому для предметної області „ШВМ та безпека праці” реалізовано симулятори: лави, відкатного та вентиляційного штреку, стволів, системи вентиляції видобувної дільниці, шахтної вентиляційної мережі (як об'єкта з розподіленими параметрами). Для забезпечення функціональності симуляторів розроблено службові підсистеми діалогу з користувачем, авторизації, аутентифікації, даних і адміністрування.

Для дослідження реалізованих симуляторів розроблено тестовий набір завдань, що базується на еталонних розрахункових, а також отриманих практично в реальних технологічних умовах даних, які достовірно визначають результати та характеристики моделювання. В результаті тестування та порівняльного аналізу експериментально встановлено, що розроблені моделі є адекватними, задовольняють вимогам базової предметної області і можуть надалі застосовуватися для реальних технологічних об'єктів заданої предметної області. Апробацію прототипу МСЦ здійснено для задач технологічного напрямку „Техніка безпеки та провітрювання” шахти „Південно-Донбаська №3”.

Ретельний аналіз результатів, отриманих під час рішення визначених задач дисертаційних досліджень, набутого досвіду модельної підтримки керованих динамічних систем для вугільної промисловості дав змогу сформулювати рекомендації щодо розробки та практичного застосування моделюючих сервісних центрів в інших предметних областях.

У висновку сформульовані наукові результати та практична значимість виконаної роботи. У додатках наведено документи про впровадження та використання результатів дисертаційної роботи, дані експериментів, проведених в умовах промисловості, результати модельних досліджень і лістинги імплементованих симуляторів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ РОБОТИ

В роботі запропоновано системну організацію та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру, що забезпечують модельну підтримку розробок та експлуатації керованих складних динамічних систем вугільної промисловості; показано, що запропоновані підходи до побудови моделюючого сервісного центру можуть бути використані й для інших предметних областей.

Виконані дослідження дозволили одержати наступні наукові і практичні результати:

На основі дослідження динамічних систем (ДС) як об'єктів модельної підтримки проаналізовано їхні особливості та систематизовано види формального опису. До основних ознак складності моделей віднесено розмірність векторів невідомих змінних, що визначають стан ДС, нелінійність фізичних характеристик елементів ДС, розподілений характер параметрів процесів за просторовими координатами, безперервний, дискретний та безперевно-дискретний характер динамічних процесів, ієрархічність об'єктів, фізичну та інформаційну багатозв'язаність параметрів за рівнями ієрархії, багатокритеріальність задач керування.

Запропоновано концепцію побудови розподіленого багаторівневого інформаційно-обчислювального середовища (моделюючого сервісного центру), яке призначено для розв'язку методами комп'ютерного моделювання задач, що виникають при розробці та експлуатації автоматизованих керованих складних динамічних систем у заданій предметній області.

Розроблено узагальнені структуру та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру, які відрізняються більш ефективним в порівнянні з відомими аналогами супроводом складних динамічних систем на всіх етапах розробки й експлуатації їхніх моделей, організацією інформаційної взаємодії між робочими місцями клієнтів модельних послуг та алгоритмічно-програмними ресурсами постановників задач, власників обчислювальних засобів й засобами прийняття рішень від експертних організацій, що спеціалізуються в предметній області. Запропоновану структуру адаптовано до задач оперативного контролю та автоматизованого управління шахтними вентиляційними системами.

Дано класифікацію моделей об'єктів та процесів сучасного вугільного підприємства та вугільної галузі в цілому, яка базується на ієрархії розв'язуваних технічних, технологічних та управлінських задач, і є основою структурної й логічної організації засобів моделювання. Визначено позицію множини моделей всіх рівнів функціонування керованих об'єктів вугільної промисловості в запропонованій класифікації.

Для алгоритмів перетворення формальних описів об'єктів предметної області запропоновано використати UML-підхід до інформаційно-програмної організації дискретних симуляторів, що реалізують моделі всіх рівнів ієрархії.

Запропоновано спосіб організації ресурсів і компонентів МСЦ, який базується на Grid-технології системної організації багаторівневих територіально розосереджених комп'ютерних систем та мереж, UML-інструментарії створення проблемно-орієнтованих компонентів і забезпечує рішення складних задач оперативного контролю та автоматизованого управління технологічними процесами в режимі реального часу.

Запропоновані в дисертації підходи та розроблені технології впроваджено у прототипі МСЦ для вугільної промисловості, в якому для заданої предметної області реалізовано симулятори таких об'єктів: лави, відкатного та вентиляційного штреків, системи провітрювання видобувної дільниці, стволів подачі та відводу повітря, шахтної вентиляційної системи як об'єктів з розподіленими параметрами, а також алгоритми спільного використання цих симуляторів для розв'язку задач оперативного керування та контролю. На основі отриманого для заданої предметної області досвіду обґрунтовано рекомендації щодо використання результатів для розробки моделюючих сервісних центрів інших предметних областей та технологічних напрямків.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ:

Cheptsov O. Die UML-unterstьtzte Entwicklung von Modellierungssoftwarekomponenten fьr das Simulations- und Servicezentrum. / Наукові праці ДонНТУ, Серія «Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем», вип. 5(116), 2006, с. 21-27.

Cheptsov O., Svjatnyj V., Hohmann R. Die Entwicklung eines Simulations- und Servicezentrums fьr gegebenes Gegenstandsgebiet. / Наукові праці ДонНТУ, Серія ”Інформатика, кібернетика та обчислювальна техніка”, вип. 93, 2005, с. 151-158.

Svjatnyj V.A., Moldovanova O.V., Cheptsov O.O., Zeitz M., Rothermel K. Generierung und parallele Lцsung von Simulationsmodellen fьr Netzobjekte mit verteilten Parametern / Наукові праці ДонНТУ, Серія «Проблеми моделювання та автоматизації проектування динамічних систем», вип. 78, 2005, с. 254-260.

Чепцов О.О. Системна організація та розробка компонентів проблемно-орієнтованих моделюючих та інформаційно-сервісних центрів - Моделирование-2006, Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е.Пухова НАН Украины, Киев 2006. - с.437-442.

Zur Entwicklungsorganisation des Simulations- und Servicezentrums fьr die Kohleindustrie / O. Cheptsov, V. Svjatnyj, O. Beljaev, V. Lapko, R. Hohmann / Simulationstechnik 18. Symposium in Erlangen, September 2005. - s.554-559.

Cheptsov, O. “The system organization and basic algorithms of the Simulation- and Servicecentre for the coal industry”, in: IEEE Proceedings International Conference “Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science TCSET'2006”, pp. 205-207.

Чепцов О.О., Бєляєв О.Н. Розробка моделюючого та інформаційно-сервісного центру (МСЦ) для вугільних шахт - Збірник праць науково-практичної конференції „Донбас-2020”, 30-31 травня 2006р., Донецьк.

АНОТАЦІЯ

Чепцов О.О. «Системна організація та алгоритми функціонування моделюючого сервісного центру (для вугільної промисловості)». - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.13.06 - «Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології». НАН України, Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова, Київ, 2007.

Дисертація присвячена теоретичному обґрунтуванню, розробці методик, експериментальній апробації та тестуванню в умовах заданої предметної області (вугільної промисловості) системної організації та алгоритмів функціонування засобів моделювання з метою забезпечення модельної підтримки розробок та експлуатації керованих складних динамічних систем шляхом побудови моделюючого сервісного центру (МСЦ) з універсальними та проблемно-орієнтованими компонентами, що гнучко адаптуються до потреб заданої предметної області.

Запропоновано структуру та алгоритми функціонування МСЦ, яку адаптовано до задач управління та автоматизації вугільної промисловості. Дано класифікацію моделей об'єктів та процесів вугільної промисловості, яка відрізняється порівневою функціональністю розв'язуваних технічних і технологічних задач. Проаналізовано відповідність прийнятих моделей визначеним методам чисельного розв'язку. Розроблено алгоритм перетворення моделей до форми, придатної для застосування обраного методу чисельного аналізу.

Запропоновано організацію ресурсів і компонентів МСЦ, яка базується на Grid-технології та UML-інструментарії створення проблемно-орієнтованих компонентів і забезпечує рішення складних задач оперативного контролю та управління технологічними процесами в режимі реального часу. Запропоновані в дисертації підходи та розроблені технології впроваджено у прототипі МСЦ для вугільної промисловості, який застосовано для рішення задач технологічного напрямку „Техніка безпеки та провітрювання” на шахті „Південно-Донбаська №3” (м.Вугледар).

Ключові слова: складна динамічна система, моделююче середовище, моделюючий сервісний центр, предметна область, класифікація моделей, технологічний напрямок, функціональний рівень, шахтна вентиляційна мережа.

АННОТАЦИЯ

Чепцов А.А. «Системная организация и алгоритмы функционирования моделирующего сервисного центра (для угольной промышленности)». - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - «Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии». НАН Украины, Институт проблем моделирования в энергетике им. Г.Е. Пухова. Киев, 2007.

Диссертация посвящена теоретическому обоснованию, разработке методик, экспериментальной апробации и тестированию в условиях заданной предметной области (угольной промышленности) системной организации и алгоритмов функционирования средств моделирования с целью обеспечения модельной поддержки разработок и эксплуатации управляемых сложных динамических систем путем построения моделирующего сервисного центра (МСЦ) с универсальными и проблемно-ориентированными компонентами, гибко адаптирующимися к потребностям заданной предметной области.

Проанализированы особенности динамических систем как объектов модельной поддержки и систематизированы виды их формального описания. Предложены основные критерии и показатели сложности моделей. Разработаны обобщенная структура и алгоритмы функционирования МСЦ, предназначенного для задач модельного сопровождения разработок и эксплуатации управляемых сложных динамических систем. Предложенная структура адаптирована к задачам оперативного контроля и автоматизированного управления шахтными вентиляционными системами.

Дана классификация моделей объектов и процессов современного угольного предприятия и угольной отрасли, отличающаяся иерархией функциональности решаемых технических, технологических и управленческих задач и являющаяся основой структурной и логической организации средств моделирования. В рамках предложенной классификации определено множество моделей всех уровней функционирования управляемых объектов угольной промышленности.

Для алгоритмов преобразования формальных описаний объектов предметной области предложено использовать UML-подход к информационно-программной организации дискретных симуляторов, реализующих модели всех уровней иерархии.

Предложена организация ресурсов и компонентов МСЦ, базирующаяся на Grid-технологии системной организации многоуровневых территориально рассредоточенных компьютерных систем и сетей и UML-инструментарии создания проблемно-ориентированных компонентов и обеспечивающая решение сложных задач оперативного контроля и автоматизированного управления технологическими процессами в режиме реального времени.

Предложенные в диссертации подходы и разработанные технологии внедрены в прототипе МСЦ для угольной промышленности, в котором для заданной предметной области реализованы симуляторы: лавы, откаточного и вентиляционного штрека, схемы проветривания выемочного участка, вентиляционного ствола, шахтной вентиляционной системы как объектов с распределенными параметрами, а также алгоритмы их совместного использования для оперативного управления и контроля. На основе опыта, полученного для заданной предметной области, обоснованы рекомендации по использованию результатов для разработки моделирующих сервисных центров других предметных областей и технологических направлений.

Прототип МСЦ опробован на решении задач технологического направления „Техника безопасности и проветривание” на шахте „Южно-Донбасская №3” (г.Угледар).

Ключевые слова: сложная динамическая система, моделирующая среда, моделирующий сервисный центр, предметная область, классификация моделей, технологическое направление, функциональный уровень, шахтная вентиляционная сеть.

ABSTRACT

Cheptsov О. „The system organization and operational algorithms of the Simulation and Servicing Centre (for the coal industry)”. - Manuscript.

Dissertation for PhD-degree by speciality 05.13.06 “Automated control systems and progressive information technologies”. G. Pukhov's Institute of Simulation Problems in Power Engineering, National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2007.

Dissertation covers theoretical basis, development of methodic, approbation and testing (under given problem area's conditions) of the simulation means System organization and algorithms are proposed for organization and further supporting of controlled complex dynamic systems development and exploitation tasks by means of Simulation and Servicing Center's (SSC) development with universal and problem-oriented components, that are flexibly adapted to the requirements of the given problem area.

The SSC's structure and algorithms are suggested and adapted for the controlling and automation tasks of the coal industry. The classification of objects and processes models for the coal industry is given, that is distinguished by functionality of solved technical tasks. The algorithm of models transformation into suitable for the numerical solution form is developed.

The SSC's resources and components organization is suggested, that is based on Grid-technology and UML-tools of problem-oriented components creation. It provides solving of complicated tasks of technological processes inspection and controlling in real-time mode. The SSC-prototype for the coal industry is developed, that implements the models and algorithms for the given problem area. The simulation and servicing centre is applicated for solving the tasks of technological area “Safety precautions and ventilation” at the coal mine “Juzhno-Donbasskaja №3”.

Key words: complicated dynamic system, simulation environment, simulation and servicing centre, problem area, models classification, technological area, functional level, mine ventilation system.

Размещено на Allbest.ru

...