Автоматизированное диагностирование железнодорожных технологических процессов на основе операторных схем

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Автоматизированное диагностирование железнодорожных технологических процессов на основе операторных схем

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (транспорт)

НИКИЩЕНКОВ Сергей Алексеевич

Санкт-Петербург, 2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщения»

Научный консультант - д.т.н., профессор, Заслуженный деятель науки Российской Федерации Сапожников Валерий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Микони Станислав Витальевич

доктор технических наук, профессор Марлей Владимир Евгеньевич

доктор технических наук, профессор Мухопад Юрий Федорович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Ростовский государственный университет путей сообщения»

Защита состоится ________________ 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 при ФГОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения» по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан_____________ 2010 г.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять в адрес ученого совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Е.Ю. Мокейчев



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на железнодорожном транспорте осуществляется в направлении достижения высокого уровня качества и доходности транспортных услуг и характеризуется ростом технической оснащённости и сложности процессов.

Высокие требования по безопасности и экономичности определяют необходимость использования и совершенствования автоматизированных средств и систем диагностирования, своевременно обнаруживающих в железнодорожных ТП дефекты с целью предотвращения последствий от них и снижения потерь временных, материальных, финансовых и других ресурсов. Дефекты, понимаемые как несоответствия предписанным технологиям, обусловлены различными объективными и субъективными причинами (изношенностью подвижного состава и путей, сбоями автоматики и энергоснабжения, недостоверностью информации, ошибками персонала и т.д.). Применяемые в АСУ ТП методы контроля и диагностики, в основном направленные на повышение безопасности движения и обеспечение работоспособности техники, недостаточно ориентированы на обнаружение дефектов в сферах деятельности, которые обеспечивают доходность (коммерческая диспетчеризация, перевозки дорогих грузов, взаимодействие собственников подвижного состава, инфраструктуры и грузоотправителей, и т.д.). Анализ объектов в хозяйствах (фирменного транспортного обслуживания, перевозок и др.) показывает, что известные методы диагностирования оказываются неэффективными для обнаружения дефектов в процессах, и необходимы новые подходы, включающие разработку диагностических моделей ТП, способов, алгоритмов и средств диагностирования на уровне операций.

Исследованиям в области контроля и эффективности железнодорожных АСУ посвящены работы Козлова П.А., Тишкина Е.М., Лецкого Э.К., Поддавашкина Э.С., Шарова В.А., Резера С.М., Елисеева С.Ю., Вишнякова В.Ф., Красковского А.Е., теоретическим вопросам диагностирования - труды Пархоменко П.П., Калявина В.П., Согомоняна Е.С., Сапожникова Вал.В., Сапожникова В.В., Микони С.В., Данилова В.В., Мозгалевского А.Н. и др. Как показывает анализ отраслевых АСУ, обзор публикаций и НИР, разработке диагностического обеспечения систем уделено недостаточно внимания, а имеющиеся решения по диагностике процессов не всегда имеют теоретическое обоснование.

Контроль процессов перевозок с использованием графиков исполненного движения широко используется в поездной работе, в то же время диагностика таких процессов, как планирование грузовой работы, диспетчеризация на сортировочных станциях, ремонт подвижного состава и т.д., с использованием современных методов и формализованных языков описания и визуализации процессов практически не осуществляется.

Внедрение в ОАО «РЖД» интегрированной системы менеджмента качества, базирующейся на процессном подходе, способствует идентификации и устранению дефектов в ТП, но ее недостатком является неразвитость систем диагностирования в плане использования методов технической диагностики и автоматизации обнаружения дефектов.

Таким образом, актуальной является разработка и внедрение автоматизированных систем диагностирования (АСД) ТП с использованием формализованных описаний и схем процессов, с соответствующим решением теоретических и практических вопросов по разработке методов, алгоритмов и средств диагностирования.

Работа выполнялась в соответствии с планами научно-технического развития ОАО «РЖД», Программой информатизации отрасли, научными направлениями Самарского государственного университета путей сообщения и решениями технико-экономических советов Куйбышевской железной дороги - филиала ОАО «РЖД».

Целью работы является разработка научно-практических основ АСД ТП и их внедрение в железнодорожные АСУ.

Объектом исследования являются железнодорожные ТП, дефекты в их выполнении, автоматизированные средства и системы обнаружения дефектов.

Предметом исследования являются методология диагностирования ТП, математические модели и схемы процессов, диагностические модели на их основе, принципы структурно-функциональной организации АСД, методы и алгоритмы диагностирования.

Задачи исследований включают:

- исследование железнодорожных ТП как объектов диагностирования;

- разработка методологии диагностирования ТП на базе научных теорий и инженерных методов;

- разработка и исследование моделей и формализованных описаний ТП;

- разработка диагностических моделей ТП;

- разработка основ структурно-функциональной организации АСД ТП;

- разработка методов, алгоритмов, программных и аппаратных средств диагностирования ТП;

- внедрение АСД ТП и оценка технико-экономических показателей.

Основным методом исследования является математическое моделирование с использованием теории множеств, теории графов, математической логики, теории технической диагностики, теоретического программирования и теории параллельных вычислений.

Научная новизна. железнодорожный автоматизированный управление

1. Разработана методология автоматизированного диагностирования ТП на основе операторных схем процессов.

2. Разработана теоретико-множественная операционно-событийная многоаспектная модель ТП в виде триады «технология - реализация - события», используемая в качестве метамодели для разработки формализованных и диагностических моделей ТП.

3. Предложен схемный подход к формализованному описанию ТП, заключающийся в интерпретации операционно-событийной модели операторной схемой, представляющей триаду «схема технологии - реализации схемы - таблицы признаков активизации»; разработаны и исследованы классы операторных схем процессов - координатные, алгоритмические, асинхронные, с произвольной реализацией.

4. Разработан комплекс диагностических моделей ТП, базирующийся на операционно-событийной модели, операторных схемах процессов и формальных системах дефектов, в качестве основы диагностического обеспечения АСД ТП.

5. Разработан и исследован метод диагностирования по спусковым функциям операций, ориентированный на обнаружения дефектов в реконфигурируемых ТП.

Практическая значимость работы.

1. Сформулированы основные понятия технологической диагностики, определены ее цель и задачи.

2. Разработан комплекс алгоритмов диагностирования, включающий алгоритмы обнаружения дефектов в ТП и алгоритмы функционирования АСД.

3. Разработаны программные и аппаратные средства диагностирования ТП на основе операторных схем.

4. Разработаны методики и инженерные рекомендации по подготовке диагностического обеспечения АСД ТП (разработке операторных схем процессов с применением компьютерных технологий, исследованию параллелизма технологий и процессов, разработке диагностических моделей ТП).

5. Разработана система имитационного моделирования АСД ТП.

6. Разработаны и внедрены АСД ТП в составе АСУ, функционирующих в дорожном центре фирменного транспортного обслуживания и службе перевозок Куйбышевской железной дороги.

7. Выполнены работы по применению метода диагностирования по спусковым функциям операций в подразделениях Куйбышевской железной дороги.

8. Предложены критерии оценки эффективности АСД ТП с приоритетом экономии от снижения убытков в результате диагностирования.

Достоверность и обоснованность результатов диссертации подтверждается обоснованием постановок задач, исследованием и сравнительным анализом существующих подходов к их решению, применением детерминированных методов решения, имитационным моделированием, опытной и промышленной эксплуатацией АСД ТП и технико-экономической оценкой разработок.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методология автоматизированного диагностирования железнодорожных ТП на основе операторных схем.

2. Теоретико-множественная операционно-событийная модель ТП.

3. Операторные схемы процессов.

4. Комплекс диагностических моделей ТП на основе операционно-событийной модели и операторных схем процессов.

5. Основные положения организации АСД ТП.

6. Метод диагностирования ТП по спусковым функциям операций.

Внедрение результатов исследования.

Результаты диссертации внедрены на Куйбышевской железной дороге в рамках договоров, выполненных в 2001-2008 гг. под научным руководством и при личном участии автора.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 22 международных, республиканских и отраслевых научно-технических конференциях, в том числе: Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2001; Региональной конференции «Стратегия развития транспортной логистики Самарского региона», Самара, 2002; межвузовской конференции «Вклады ученых вузов в научно-технический прогресс на железной дороге», Самара, 2003; Пятом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике, Кисловодск, 2004; Международной конференции «Безопасность и логистика транспортных систем», Самара, 2004; Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии», Иркутск, 2004; региональной конференции, посвященной 70-летию Южно-Уральской железной дороги, Челябинск, 2004; региональной научно-практической конференции, посвященной 130-летию Куйбышевской железной дороги, Самара, 2004; XI и XII Российской научной конференции ПГАТИ, Самара, 2004, 2005; III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», г. Самара; 7-й, 10-ой, 11-ой и 14-й Международной научно-практической конференции «Информационные технологии на железнодорожном транспорте (Инфотранс)», Санкт-Петербург, 2002, 2005, 2006, 2009.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 69 работ общим объемом 30 печатных листов, в том числе 2 монографии, 17 статей в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций, 3 изобретения, 4 свидетельства на интел-лектуальный продукт, 12 свидетельств на программы для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация содержит введение, 6 глав, заключение и выводы, библиографический список из 302 наименований и 4 приложения, всего 329 с.



СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, определена цель работы, изложена научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлены апробация и внедрение результатов работы.

Первая глава посвящена современному состоянию и анализу проблем автоматизированного диагностирования железнодорожных ТП и разработке методологии диагностирования на основе операторных схем процессов.

Анализ особенностей эксплуатации и развития АСУ ТП показывает наличие утверждённых регламентных технологий; выполнение типовых повторяющихся основных и вспомогательных процессов; высокую техническую оснащённость; рост требований по экономичности, безопасности, отказоустойчивости и качеству перевозок; внедрение интегрированной системы менеджмента качества на основе процессного подхода; изменение технологий, условий функционирования и параметров процессов в эксплуатационном цикле; усложнение взаимодействия ОАО «РЖД», собственников подвижного состава и грузоотправителей.

Железнодорожным ТП присущи дефекты, обусловленные износом технических средств, сбоями энергоснабжения и аппаратуры, ошибками программного обеспечения, неправильными действиями персонала и т.д.

Актуальность диагностирования ТП подтверждается следующими примерами дефектов в подразделениях фирменного транспортного обслуживания (ФТО) Куйбышевской железной дороги, где наблюдались такие: необоснованное отклонение заявки грузоотправителя; искажение данных в заявке; ошибки в расчетах суточного плана в агентстве ФТО; несоответствие нормативной группы груза и рода подвижного состава; несвоевременная корректировка плана погрузки; неполный учёт в дорожном центре ФТО расчетных показателей, представленных из районного агентства ФТО; преждевременное сообщение о выполнении заявки на перевозку; невыполнение заявки на перевозку груза в установленные сроки; несвоевременная корректировка плана в дорожном центре ФТО; запоздалое формирование сводного заказа дороги; необеспечение суточного плана погрузки подвижным составом и т.п.

В 2004-2008 гг. имели место изменения технологий по следующим причинам: принятие редакций Устава железных дорог и Правил грузоперевозок; расширение числа проверок по отказам исполнения заявок; создание структуры коммерческих диспетчеров и др. В диссертации выполнен анализ факторов (и их источников), влияющих на изменения. К ним относятся: реформирование отрасли, принятие новых руководящих и нормативных документов (руководство ОАО «РЖД»); экономия эксплуатационных затрат и антикризисные мероприятия (экономические стратегии); конкуренция с другими видами транспорта, взаимодействие с собственниками и грузоотправителями (бизнес-процессы); решения по управлению основными и вспомогательными процессами (руководство дорог и подразделений); износ технических средств, изменения инфраструктуры (технологические ресурсы); ввод в эксплуатацию новых компьютерных систем и АСУ (информатизация и автоматизация); изменения условий работы (окружающая среда); изменение порядка и времени выполнения операций (персонал).

Среди проблем диагностирования железнодорожных ТП следует выделить: неэффективность выходного контроля процессов по оперативности обнаружения дефектов и предотвращению потерь от них; отсутствие эффективных АСД, построенных на принципах процессного подхода; недостаточная проработанность теоретических основ АСД ТП; отсутствие формальных диагностических моделей ТП; отсутствие диагностического обеспечения (моделей, методов, способов, алгоритмов и средств диагностирования), использующего компьютерные способы разработки, хранения, визуализации и обработки информации; непригодность известных методов к обнаружению дефектов в условиях изменения технологий и процессов; несоответствие методик оценки эффективности разработки и внедрения АСД современным требованиям.

На рис. 1 показана методология диагностирования ТП:

Рисунок 1 - Методология диагностирования ТП на основе операторных схем

На базе стандартов по технической диагностике и менеджменту качества и отраслевых материалов по безопасности перевозок предложена система понятий технологической диагностики, отражающая теорию, методы и средства определения дефектов в ТП.

Под технологическим диагностированием понимается обнаружение дефектов в выполняемом в рабочем режиме ТП как несоответствий установленным в технологии требованиям, их анализ и принятие решений по дальнейшему выполнению ТП. Целью технологического диагностиро-вания является снижение убытков (материальных, финансовых и др.) за счёт своевременного обнаружения дефектов.

Процессный подход используется для анализа совокупности операций, предписанной технологией над материальными, финансовыми, информационными и другими ресурсами, как объекта диагностирования.

Наибольшей общностью отражения свойств ТП (многоаспектность, многооперационность, логическая обусловленность, нормируемость, повторяемость, изменчивость) обладает теоретико-множественная модель, используемая в качестве метамодели для создания формализованных схем и диагностических моделей ТП.

В диссертации выполнена интерпретация теоретико-множественных моделей ТП операторными схемами, имеющими свойства: возможность стандартизированного компактного описания (состав операций, логика и зависимости) множества ТП, соответствующих заданной технологии; применение достижений теоретического программирования и теории параллельных вычислений (теорема Бернштейна - Рассела - Нариньяни, спусковые функции Котова - Нариньяни, информационно-логические схемы); наглядность и пригодность для компьютерной обработки.

Согласно теории технической диагностики под диагностической моделью объекта понимается совокупность его формальной модели и моделей возможных дефектов. Разработан комплекс диагностических моделей ТП на основе теоретико-множественных моделей и операторных схем процессов, с перечнями дефектов в виде формальных выражений, представляющих несоответствия заданным требованиям правильного выполнения технологии. Комплекс моделей, методов и алгоритмов диагностирования и соответствующие методики их использования составляют диагностическое обеспечение АСД ТП.

Дискретная математика (теория графов, формальная логика, теории автоматов и алгоритмов) и методы вычислительных систем составляют основу для разработки методов и алгоритмов обнаружения дефектов и автоматизации технологического диагностирования.

Структурно-функциональная организация АСД ТП базируется на принципах построения вычислительных систем и АСУ, типовых блочных архитектурах и способах обработки данных.

Экономическая целесообразность внедрения АСД ТП определяется

соотношением экономии (снижения потерь от дефектов), полученной в результате технологического диагностирования, и затрат на АСД ТП.

Вторая глава посвящена разработке математической модели ТП и операторных схем процессов.

Основные свойства технологии как упорядоченной в пространстве и времени совокупности операций над ресурсами, обладающей свойства массовости, логической обусловленности и детерминированности, отражаются теоретико-множественной моделью (символы соответствуют терминам technology, operation, predicate, relation, space, time):

TL = < O, P, R, S, T >, (1)

где О - операции технологии, О А Ч С Ч М; А - акты операций, А_i А; С - назначения (типы) операций, С_i С; М - ресурсы (материалы, обору-дование, финансы, информация и др.), используемые в операциях; P - пре-дикаты, характеризующие условия выполнения технологии, P_l P; R - связи между операциями, R = U V; U - управляющие связи, U О Ч О Ч P; V - ресурсные связи, V О Ч О Ч М; S - пространственные координаты операций, S_i S; T - координаты во времени, T_i T.

Теоретико-множественное представление ТП включает технологию TL (план ТП), реализацию технологии RL (отображение плана) и события в процессе E и названо операционно-событийной моделью:

TP = < TL, RL, E >. (2)



Рисунок 2 - К определению модели технологии

Анализ методов управления ТП показывает их многообразие и применение в железнодорожных АСУ ТП. К числу типовых методов относятся координатный (заданы место и время начала и окончания операций), алгоритмический (определена передача управления от операции к операции) и событийный (запуск операций происходит в зависимости от событий). В рамках (2) определены соответствующие виды реализаций технологии: координатная реализация RL^коор (операции распределены по пространственным и временным координатам), алгоритмическая реализация RL^алг (операции имеют предшественников и последователей по управляющим связям) и асинхронная реализация RL^ас (операции запускаются по готовности используемых ресурсов).

Множество событий E представляет активизацию элементов из TL (используются соответствующие малые символы): E g Ч s Ч t , где g - признаки активизации операций, ресурсов, предикатов и связей; s и t - признаки активизации пространственных и временных координат событий; событие e_k = (а_i, s_i, t_i) означает активизацию i -ой операции.

Модель TP допускает сужение многоаспектности для формирования частных моделей, различающихся множествами в TL, видом реализации RL и составом признаков в Е. В нотации вида модели ТП указывается состав модели технологии, вид реализации и состав признаков событий; в общем случае ТР = < TL (A, С, M, P, R, S, T), RL, E (a, с, m, p, r) >. Сетевые графики представляются в рамках операционно-событийной модели в виде ТР = < TL (A,С, P, S, T), RL^коор, E (a, с, p) >; стандартным схемам программ соответствует вид ТР = < TL (A,С, P, U), RL^алг, E(a, с, p, u) >; моделям асинх-ронных вычислений - ТР = < TL(A, M, P, V), RL^ас, E(a, m, p, v) >.

Изменения технологии отражаются в соответствующих множествах модели (1). Модель изменяющихся процессов при фиксированной технологии является множеством моделей, различающихся по реализации и событиям: TP ^изм = {TP_n }, TP_n = < TL, RL_n, E_n >.

Для оценки изменений ТП введено понятие пространственно-временной реконфигурации процесса, опираясь на определение конфи-гурации как взаимного расположения его операций.

Для реализации RL_n существует порядок S_n событий E_n по пространственным координатам и порядок T_n событий E_n по координатам времени. Конфигурация характеризуется предикатом, указывающим на неизменность порядков при разных реализациях: CF_q ( RL_n , S ^q, T ^q ): RL_n RL ^q ( S_n = S ^q ) ( T_n = T ^q ), где RL^q - реализации с конфигура-цией q. Конфигурация определяет множество процессов TP ^q, совпадаю-щих с точностью до порядков событий.

В качестве примера на рис. 3 для технологии с операциями 1, 2, 3, 4 и 5 показаны: а - зависимости между операциями по ресурсам; б, в, г - примеры диаграмм процессов для возможных конфигураций (на одной, двух и четырех пространственных координатах). Независимость операций 2, 3 и 4 между собой делает возможным перераспределение их в пространстве и времени, т.е. реконфигурацию ТП - переход от одной конфигурации к следующей при его очередном выполнении с сохранением ресурсных связей между операциями. В диссертации показано, что указанное свойство процессов требует соответствующих решений при их диагностировании и распознавании реконфигурируемых и дефектных ТП.



Рисунок 3 - Примеры конфигураций ТП

Согласно методологии гл. 1 предложены операторные схемы процессов как интерпретация модели (2) триадой:

SP = (ST, RS, TA), (3)

где ST - схема технологии, RS - реализации схемы, TA - таблицы признаков активизации элементов операторной схемы. Операторная схема (3) представляет формализованное описание множества реализаций схемы технологии с использованием графических обозначений (табл. 1).

Таблица 1 - Основные графические обозначения в операторных схемах процессов

	Оператор -преобразователь		Безусловные управляющие связи Логические связи Ресурсные связи
	Оператор - распознаватель		Координатная сетка «пространство - время»

В схемах представлены операторы О = О^пр О^рп, О^пр О^рп = , О_i^пр О^пр (преобразователи), О_i^рп О^рп (распознаватели), О_i^пр = (А_i^пр, С_i^пр, InО_i^пр, OutО_i^пр), О_i^рп = (А_i^рп, С_i^рп, InО_i^рп, P_l, _i); акты операторов А = А^пр А^рп, А^пр А^рп = , А_i^пр А^пр, А_i^рп А^рп; назначения операторов С = С^пр С^рп, C^пр C^рп = , С_i^пр С^пр, С_i^пр: InО_i^пр OutО_i^пр, С_i^рп С ^рп, С_i^рп: (InО_i^рп, P_l) _i, _i {1, 0}; входные и выходные кортежи операторов In Out = M, In Out ? , InО_i In, InО_i: (x,..., y), OutО_i^пр Out, OutО_i^пр: (z,...,w); предикаты P, P_l P; связи R = V U, в т.ч. ресурсные связи V In Ч Out, V_i,j^x V_i,j V, и управляющие связи U = U^бус U^лог, U^бус U^лог = , U_i,j U, U_i,j^бус U^бус (безусловные управляющие), U_i,j^лог U^лог (логические); координаты пространства S, S_i S; координаты времени T = T^з T^к, T_i^з T^з (запуск операторов), T_i^к T^к (окончание операторов).

Согласно видам реализаций, входящим в операционно-событийную модель ТП, разработаны классы операторных схем.

Координатные схемы представляют собой класс схем, которые соответствуют видам моделей (2), где (S, T) TL, RL = RL^коор, и опера-торы имеют координаты в пространстве и времени; RS = RS^коор.

Алгоритмические схемы - класс схем, которые соответствуют видам (2), где U TL, RL = RL^алг, и запуск следующего оператора производится после окончания предыдущего и активизации управляющей связи между ними; RS = RS^алг.

Асинхронные схемы - класс схем, соответствующих видам (2), где (U^бус, S, T) TL, (M, U^лог, V) TL, RL = RL^ас, и операторы запускаются в зависимости от событий; RS = RS^ас. Выделены два вида асинхронных реализаций: 1) RS^{ас.корт} - с запуском оператора по активности входного кортежа 2) RS^{ас.предш} - с запуском по окончанию предшествующих опера-торов.

Схемы с произвольными реализациями представляют собой класс схем, которые соответствуют видам (2), где (U^бус, S, T) TL, и запуск операторов возможен в произвольном порядке; RS = RS^произв.

Таблицы TA представляют упорядоченную совокупность векторов признаков активизации элементов схемы ST (в общем случае a, с, in, out, p, r, s, t) для реализаций RS.

На основе классов определены комбинированные операторные схемы, в которых используются фрагменты схем разных классов.

Примеры схем даны на рис. 4, где нотации соответствуют видам схем по вариантам сужения многоаспектности модели.

SР1 = (ST1, RSалг, TA (a, in, out, p, r))	SР2 = (ST2, RSас.корт, TA (a, in, out, p, v, uлог))
А	Б
SP3 = (ST3, RSкомб, TA (a, с, in, out, p, r, s, t ))
В

Рисунок 4 - Примеры операторных схем процессов: а - алгоритмическая с ресурсными связями, б - асинхронная, в - комбинированная

К характеристикам операторных схем, определяющим область применения при представлении железнодорожных ТП, относятся: использование двух видов операторов - преобразователей и распознава-телей (аналогично схемам алгоритмов и программ); составной характер оператора, поскольку он агрегирует акт, назначение, входные и выходные кортежи; представление событий как активизаций элементов схемы технологии; неделимость оператора в пространстве и свойство следования событий запуска и окончания оператора во времени (для событий e₁ = (а_i^з, s_i^з, t_i^з) и e₂ = (а_i^к, s_i^к, t_i^к) выполняется s_i^з = s_i^к и t_i^к следует за t_i^з).

В работе обосновано расширение теоремы Бернштейна - Рассела - Нариньяни об условии параллельного (независимого, неупорядоченного) выполнения операций:

(InО_i ? InО_j) U (InО_i ? OutО_j) U (InО_j ? OutО_i) U (OutО_i ? OutО_j) = ,

где введенное условие (InО_i ? InО_j = ) позволяет анализировать конкури-рующие операции с материальными, финансовыми и другими ресурсами в многоаспектных железнодорожных ТП, что необходимо для решения задач их диагностирования.

На основе теории параллельных вычислений и свойств операторных схем показано:

1. Внутренний параллелизм технологии является латентной характеристикой, имеющей значение для повышения производительности и диагностирования ТП.

2. Параллелизм ТП адекватно отражается в операторных схемах на уровне операторов, кортежей, связей, реализаций и событий.

3. Идентификацию и оценку параллелизма технологии целесообразно производить на основе её операторной схемы, теоремы Бернштейна - Рассела - Нариньяни, ярусно-параллельной схемы и спусковых функций Котова - Нариньяни.

4. Для последовательной технологии совпадают конфигурации процессов при разных реализациях.

5. Реконфигурации являются свойством ТП для технологий с внутренним параллелизмом.

6. Для каждой технологии существует конечная система спусковых функций (фиксированных условий запуска каждой операции по готовности используемых ресурсов), задающая параллельный асинхронный (максимально производительный) процесс.

7. Система спусковых функций, построенная по схеме технологии, обладает свойством инвариантности к эквивалентным преобразованиям схемы технологии и реконфигурациям процессов.

В выводах по главе отмечено, что операторные схемы процессов - компактное и точное средство, наглядно представляющее широкий спектр железнодорожных ТП на уровне операций; удобно в использовании и интерпретации; облегчает взаимодействие диагностов, разработчиков и персонала АСУ; близко к стандартизированным описаниям; соответствует схемам программ и параллельных вычислений, технологиям CASE, IDEF и UML; поддерживается рядом программных платформ.

Третья глава посвящена разработке диагностических моделей, методов и алгоритмов обнаружения дефектов на основе операционно-событийных моделей и операторных схем процессов. Диагностическая модель ТП представляет собой совокупность его модели и моделей типовых возможных дефектов. Под дефектами понимаются несоот-ветствия фактического ТП и требуемого, определенного предписанной технологией. Основным способом представления дефектов является их формальное описание как невыполнений требований правильного выполнения технологии (ТПВТ), которые формируются из моделей и схем.

Диагностическая модель ТП на основе операционно-событийной модели и теоретико-множественной формулировки дефектов (ТМФД):

DM ^TP = < TP, D^TP >, D^TP = D^TL D^RL d^E,

где D^TL = D^O D^P D^R D^S D^T, D^O = D^A D^С D^M, D^R = D^V D^U; D^RL = D^RLкоор D^RLалг D^RLас; d^E = d^o d^p d^r d^s d^t, d^o = d^a d^с d^m, d^r = d^v d^u; индексы указывают на множества из операционно-событийной модели.

Каждый дефект определяется по ТМФД: 1) дефект элемента множества из TP есть несоответствие фактического элемента требуемому, раскрываемое как один из вариантов замены (на пустой элемент; на другой элемент того же множества модели; на элемент, не принадлежащий этому множеству), т.е. (Э_i^ф Э_i^тр) (Э_i ) (Э_i Э_j) (Э_i Н_z), где Э_i , Э_j -

элементы множества Э, Э TP; Э_i^ф и Э_i^тр - фактическое и требуемое значения элемента; - символ замены; - Исключающее ИЛИ; Н_z - эле-мент, не принадлежащий Э; дефект элемента D ^элем = D ^пус D ^др D ^непр; 2) дефекты множества из TP включают дефекты его элементов и дефекты наличия лишних элементов: D^Э = D ^элем D ^лиш, где под лишним понимает-ся элемент, не входящий в TP.

Диагностическая модель ТП на основе операторной схемы процесса и ТМФД представляется как совокупность схемы и дефектов:

DM ^SP = < SP, D ^SP >, D ^SP = D ^ST D ^RS d ^TA,

где D ^ST = D^Oпр D^Oрп D^R D^S D^T, D^Oпр = D^Aпр D^Спр D^In D^Out, D^Oрп = D^Aрп D^Срп D^In D^P D; D^R = D^V D^Uбус D^Uлог; D^T = D^Tз D^Tк; D^RS = D^RSкоор D^RSалг D^RSас D^{RSпроизв}; d^TA = d^a d^с dⁱⁿ d^out d^p d^v d^бус d^лог d^s d^t; индексы соответствуют элементам схем.

В работе представлены диагностические модели с ТМФД для классов операторных схем.

Диагностическая модель ТП на основе операторной схемы процесса и предложенной событийно-позиционной системы дефектов базируется на структурном подходе и свойствах схем, на агрегировании признаков событий с позиционированием на схеме, на формировании ТПВТ исходя из свойств управляемости, ресурсной обеспеченности и результативности операторов, свойств упорядоченности и нормируемости процесса:

DM ^SP = <SP, d^соб>, d^соб = d^приз d^агр d^пор d^коор.

Дефекты признаков событий d^приз = d ^a d ^с d ⁱⁿ d ^out d ^p d ^v d^бус d^лог и определяются по ТМФД.

Дефекты агрегированных событий d^агр = d^{агр.зап} d^{агр.вып} d^агр.ок (табл. 2, где а_i^з, а_i^в, а_i^к - признаки запуска, выполнения и окончания оператора, p_l - признак наличия значения предиката).

Дефекты порядка событий d^пор = d^след d^пар, d^след - дефекты следо-вания событий, d^пар - дефекты параллельного выполнения операторов.

Дефекты d^след = d^сл.акт d^сл.рес d^сл.упр и представлены в табл. 3, где означает следование.

Дефекты d^пар = d ^нег.вх d ^{конк.вх} d ^{конк.вых} представлены в табл. 4, где на основе теоремы (4) сформулированы ТПВТ при выполнении двух операторов с пересекающимися множествами элементов кортежей.

Таблица 2 - Дефекты агрегированных событий

ТПВТ	Дефект
Наличие входного кортежа при запуске оператора	Оi : (аiз = 1) (inОi = 1)	(аiз = 1) (inОi = 0) diагр.зап = 1
Соответствие назначения оператора при его выполнении	Оi : (аiв = 1) (сi = 1)	(аiв = 1) (сi = 0) diагр.вып = 1
Наличие выходного кортежа при окончании преобразователя	Оiпр: (аiк = 1) (out Оiпр = 1)	(аiк = 1) (out Оiпр = 0) diагр.ок.пр = 1
Наличие значения предиката по окончании распознавателя	Оiрп : (аiк = 1) ( pl = 1)	(аiк = 1) ( pl = 0) diагр.ок.рп = 1



Таблица 3 - Дефекты следования событий

ТПВТ	Дефекты
Следование событий в акте оператора	Аi: (аiз = 1) (аiк = 1)	dсл.акт
Следование событий в ресурсных связях	Vi,j : (аiк = 1) (vi,j = 1) (аjз = 1)	dсл.рес
Следование событий в управляющих связях	Ui,j : (аiк = 1) (ui,j = 1) (аjз = 1)	dсл.упр

Таблица 4 - Дефекты параллельного выполнения операторов

ТПВТ	Дефекты
При пересечении входного и выходного кортежей	(Оi , Оj) | (In Оj ? Out Оi) ? : (аiк = 1) (аjз = 1)	d нег.вх
При пересечении входных кортежей	(Оi , Оj) | (In Оi ? In Оj) ? : ((аiк = 1) (аjз = 1)) ((аjк = 1) (аiз = 1))	d конк.вх
При пересечении выходных кортежей	(Оi , Оj) | (OutОj ? OutОi) ? : (аiк = 1) (аjк = 1)	d конк.вых

При выполнении (4) любые соотношения в событиях, связанных с операторами О_i и О_j, соответствуют ТПВТ, и d^пар = .

Дефект неготовности элемента входного кортежа d_j^нег.вх представляет ситуацию, когда операция запускается раньше, чем ей предоставила ресурс предшествующая операция. Дефект конкуренции по элементам входных кортежей d_i,j^кон.вх представляет случай, когда операция оказывается без ресурса, поскольку он уже используется другой. Дефект конкуренции по элементам выходных кортежей d_i,j^{кон.вых} показывает, что результат одной операции подменяется результатом другой.

Дефекты координат событий d^коор означают несоответствия координат событий ТПВТ по нормам: d^коор = d^Sнорм d^Tнорм, d^Sнорм = = d^Sнорм< d^Sнорм>, d^Тнорм = d^Тнорм< d^Тнорм>, где d^Sнорм< и d^Sнорм> - де-фекты событий по пространственной координате (меньше и больше нормируемого значения); d^Тнорм< и d^Тнорм> - дефекты событий по временной координате (меньше и больше нормы).

На основе событийно-позиционной системы дефектов предложена актно-временная, используемая в гл. 5: d^{акт.врем} = d^акт d^врем, d^акт = d^лз d^оз d^лк d^пз; d^врем = d^зз d^зк; где d^лз, d^оз, d^лк, d^пз, d^зз и d^зк - дефекты «ложный запуск», «отсутствие запуска», «ложное окончание», «повторный запуск», «запоздалый запуск» и «запоздалое окончание».

Разработаны базовые алгоритмы обнаружения дефектов (с использо-ванием в качестве диагностических эталонов: перечней элементов моделей и схем, признаков активизации, цепочек событий, автоматных отобра-жений событий, наборов таблиц признаков активизации), алгоритм диагностирования на базе эмулятора операторной схемы процесса и алгоритмы обнаружения дефектов по событийно-позиционной системе (по видам дефектов). Для нее на рис. 5 представлен алгоритм диагности-рования, характеризующийся параллельным выполнением алгоритмов обнаружения дефектов (АОД).

Рисунок 5 - Алгоритм диагностирования по событийно-позиционной системе дефектов

Четвертая глава раскрывает структуру (рис. 6) и принципы орга-низации и функционирования АСД ТП:

1) обеспечение контролепригодности АСУ ТП, т.е. доступности и возможности съёма и передачи данных о процессах в пригодном формате (сообщения, записи, сигналы и т.п.);

2) подготовка АСД к диагностированию путем разработки (модификации) диагностического обеспечения в ПДО и настройки СТД;

3) в рабочем режиме АСУ ТП получение и обработка диагностической информации, обнаружение и идентификация дефектов с помощью СТД;

4) анализ результатов в ППР и выполнение соответствующих организационно-технических мероприятий в АСД ТП.

	ППР - подсистема принятия решения СТД - средство технологического диагностирования ПДО - подсистема диагностического обеспечения

Рисунок 6 - Структурная схема АСД ТП

Способы получения диагностических признаков от ТП зависят от АСУ ТП и используют средства телекоммуникаций и передачи данных.

Диагностическое обеспечение включает методические и инструментальные средства для подготовки АСД ТП к диагностированию. Методика разработки проблемно-ориентированной диагностической модели железнодорожного ТП показана на рис. 7.

Рисунок 7 - Разработка диагностической модели конкретного ТП



Построение и обработка схем процессов производится с испольованием компьютерных программ общего (MS Office, MS Visio и др.) и специализированного назначения (инструментарии IDEF, CASE, UML).

В работе предложены варианты исполнения СТД в виде программных или аппаратных средств с централизованной (рис. 8) или распределенной архитектурой. СТД функционирует по разработанным в гл. 3 алгоритмам. Вопросы организации диагностического процессора на основе счетчиковых сетей и разметки схемы диагностируемого ТП представлены в гл. 5.

	БРСФДП - блок регистрации событий и формирования диагностических признаков, БФРД - блок формирования результатов диагностирования, ДП - диагностический процессор, БПКС - блок памяти контролирующих соотношений, БРАРД - блок регистрации и архивации результатов диагностирования.

Рисунок 8 - Структура СТД

Разработаны обобщенный алгоритм функционирования АСД ТП, синхронный и асинхронный алгоритмы диагностирования, включающие процедуры приема векторов признаков событий, проверки признаков, обнаружения дефектов, обработки результатов диагностирования и принятия решения по останову или продолжению выполнения ТП.

Для исследования проектируемых АСД разработана программная система операционно-регистрового моделирования средств и процессов диагностирования, используемая в режимах эмуляции диагностического процессора и имитации диагностирования ТП. Система содержит библиотеку базовых блоков, конструктор и подсистемы синхронизации, генерации входных данных, задания дефектов, обнаружения дефектов, анализа и документирования.

Предложенный комплекс критериев оценки эффективности АСД включает три группы показателей: экономические (Э - дисконтированная экономия от снижения убытков за счет диагностирования в первый год после внедрения АСД , З - дисконтированные затраты на АСД, К ^ээ = Э / З - коэффициент экономической эффективности); показатели обнаружения (D, D^обн и D^отр - число фактических, обнаруженных и отработанных дефектов; К^обн = D / D^обн - коэффициент обнаружения; К^отр = D^отр / D^обн - коэффициент отработки дефектов; Т^обн ,Т^отр и ф ^оп - времена обнаружения и отработки дефекта и длительность операции; К^оп = Т ^обн / ф ^оп - коэффи-циент оперативности) и коэффициенты избыточности (К^ии, К^пи и К^ви - информационной, программной и временной).

Пятая глава посвящена разработке метода диагностирования ТП по спусковым функциям операций.

Обобщённая формулировка спусковой функции Котова - Нариньяни представляется в виде F_i : Е^вх.i а_i^з, где Е^вх.i - события, связанные с активизацией элементов операторной схемы (операторов, кортежей, связей), являющихся входными для i -го оператора. В частности, спус-ковая функция оператора определяется через признаки окончания пред-шествующих ему операторов: F_i: (а^к, р) а_i^з. Например, для операторной схемы на рис. 4, б, система спусковых функций состоит:

F₁ = а₀^к (начало); F₂ = а₁^к; F₃ = а₁^к; F₄ = а₁^к;

F₅ = (а₁^к = 1) (а₄^к = 1) ( р₁¹ = 1); F₆ = а₃^к;

F₇ = ((а₄^к = 1) ( р₁¹ = 1) (а₅^к = 1)) ((а₄^к = 1) ( р₁⁰ = 1) (а₂^к = 1)).

На основе свойств спусковых функций обосновано и проработано их использование для диагностики ТП. По значению спусковой функции проверяется правильность или выявляется дефект запуска операции, для чего вычисляется значение диагностической функции Ф_i : ( F_i, а_i^з ) d_i^з:



(a_i^з = 1) (F_i = 1) d_i^з = 0, (a_i^з = 1) (F_i = 0) d_i^з = 1.

Дефект означает, что технологическая операция запускается до окончания предшествующих ей операций, т.е. не с нужными ресурсами, не в соответствии со значениями предикатов и т.п.

На основании теории параллельных вычислений показано, что система диагностических спусковых функций, полученная по операторной схеме, является инвариантом для реконфигурируемых процессов, соот-ветствующих заданной технологии.

Разработана диагностическая модель DM ^сф = < SP ^произв, d ^сф.ав > на основе операторных схем с произвольной реализацией и системы дефектов, совмещающей диагностические спусковые функции и актно-временную систему дефектов:

d ^сф.ав = d ^сф.акт d ^{сф.врем} = d ^сф.лз d ^сф.оз d ^сф.лк d ^сф.пз d ^сф.зз d ^сф.зк.

Содержательно ТПВТ предписывает однократное выполнение операции в течение нормируемого периода времени с момента готовности ресурсов (рис. 9 и табл. 5, где _i^з и _i^сф - признаки совершившегося запуска оператора и нахождения спусковой функции в состоянии «1»).

Рисунок 9 - Представление дефектов в методе диагностирования по спусковым функциям операций



Таблица 5 - Дефекты в методе диагностирования по спусковым функциям

ТПВТ	Дефект
Оi: (aiз = 1) (Fi = 1)	(aiз = 1) (Fi = 0) diсф.лз = 1
Оi: (aiк = 1) (iз = 1)	(aiк = 1) (iз = 0) diсф.лк = 1
Оi: (iз = 1) (iсф = 1)	(iз = 0) (iсф = 1) diсф.оз = 1
Оi: (aiз = 1) (Тiз.факт < Тi з.норм)	(aiз = 1) (Тiз.факт > Тi з.норм) diсф.зз = 1 ...

Подобные документы

• Разработка автоматизированных систем идентификации человека на основе биометрических признаков

  Обзор основных алгоритмов и методов распознавания лиц. Архитектура средств динамического отслеживания лиц в видеопоследовательности. Результаты тестирования на больших объемах видеоданных. Разработка алгоритмов и методов динамического отслеживания лиц.
  
  дипломная работа [5,9 M], добавлен 20.07.2014
  

• Автоматизированное проектирование процессов выполнения заказа на изготовление печатной продукции на примере процесса изготовления каталога

  Создание сложных автоматизированных компьютерных издательских систем и компонентов. Автоматизация проектирования процессов выполнения заказов на примере процесса изготовления каталога. Выбор и использование программных средств для реализации проекта.
  
  курсовая работа [4,5 M], добавлен 27.03.2012
  

• Разработка программного средства "Профориентация"

  Рассмотрение приемов разработки программных средств для автоматизированных систем обработки информации и управления. Разработка программного продукта, предназначенного для автоматизации работы заместителя директора по учебно-воспитательной работе.
  
  дипломная работа [1,7 M], добавлен 27.02.2015
  

• Аппаратное и программное обеспечение простых микропроцессорных систем

  Приобретение навыков структурных блок-схем и листингов программ на языке "Ассемблер" для простых микропроцессорных систем управления процессами. Типовые структуры блок-схем алгоритмов обработки данных. Программная реализация типовых функций управления.
  
  методичка [1007,8 K], добавлен 01.10.2010
  

• Автоматизация технологических процессов и производств

  Надежность системы управления как совокупность надежности технических средств, вычислительной машины, программного обеспечения и персонала. Расчет надежности технических систем, виды отказов САУ и ТСА, повышение надежности и причины отказов САУ.
  
  курс лекций [228,2 K], добавлен 27.05.2008
  

• Характеристика аппаратных средств автоматизированных рабочих мест и перспективы их развития

  Понятие САПР и общее представление об автоматизированных рабочих местах. Информационная технология проектирования автоматизированного рабочего места и эргономика аппаратных и программных средств АРМ. Сравнительная характеристика современных плоттеров.
  
  дипломная работа [3,9 M], добавлен 03.03.2011
  

• Автоматизированная система учета абонентов библиотеки

  Понятия и принципы, лежащие в основе систем управления базами данных для ведения учета абонентов библиотеки. Анализ предметной области. Этапы проектирования БД. Разработка алгоритмов, выбор программных средств. Методическое обеспечение пользователя.
  
  курсовая работа [2,1 M], добавлен 27.10.2010
  

• Исследование методов автоматизированного проектирования динамических систем

  Структурно-информационный анализ методов моделирования динамических систем. Математическое моделирование. Численные методы решения систем дифференциальных уравнений. Разработка структуры програмного комплекса для анализа динамики механических систем.
  
  дипломная работа [1,1 M], добавлен 14.05.2010
  

• Реализация управления процессами и ресурсами многопрограммных операционных систем на уровне диспетчеризации

  Создание средств представления процессов и механизмов управления на уровне диспетчеризации, разработка алгоритма и написание программы, имитирующую работу простейшей операционной системы. Формирование дескриптора, ввод информации, интерфейс программы.
  
  лабораторная работа [1,1 M], добавлен 09.07.2010
  

• Проектирование информационных систем

  Разработка функциональной модели предметной области. Построение UML диаграмм в среде Pacestar UML Diagrammer. Выбор программных средств разработки. Разработка логической и физической модели данных. Разработка клиентского приложения ИС в среде Access.
  
  курсовая работа [2,2 M], добавлен 09.03.2011
  

• Проектирование информационных систем

  Методология структурного анализа и проектирования информационных систем. Базовый стандарт процессов жизненного цикла программного обеспечения. Цели и принципы формирования профилей информационных систем. Разработка идеальной модели бизнес-процессов.
  
  презентация [152,1 K], добавлен 07.12.2013
  

• Модели жизненного цикла автоматизированных информационных систем

  Особенности основных, вспомогательных и организационных процессов жизненного цикла автоматизированных информационных систем. Основные методологии проектирования АИС на основе CASE-технологий. Определение модели жизненного цикла программного продукта.
  
  курсовая работа [1,8 M], добавлен 20.11.2010
  

• Аппаратное и программное обеспечение простых микропроцессорных систем

  Типовые структуры блок-схем алгоритмов обработки данных на языке "Ассемблер" для простых микропроцессорных систем управления различными процессами. Реализация типовых функций управления, ее принципы и закономерности, правила графического оформления.
  
  методичка [572,8 K], добавлен 02.10.2010
  

• Управление светодиодами

  Описание функциональных блоков микрокомпьютера. Основы построения программных средств. Принципы соединения аппаратных средств микропроцессорных систем. Разработка электрической принципиальной схемы и программы функционирования на языке Ассемблер.
  
  курсовая работа [176,8 K], добавлен 12.01.2015
  

• Моделирование обслуживания вычислительных процессов в системе

  Управление процессами операционных систем. Разработка программы, моделирующей обслуживание множества вычислительных процессов в системе с 4 очередями, определяемыми значениями приоритетов. Выполнение инструкций компьютерной программы на процессоре.
  
  контрольная работа [302,7 K], добавлен 06.08.2013
  

• Автоматизированное рабочее место оператора тестирования устройств телемеханики

  Обоснование выбора программно-технических средств. Надежность программы и состав технических средств. Разработка структурной схемы программы, алгоритмического и программного интерфейса. Технология разработки интерфейса пользователя и программных модулей.
  
  дипломная работа [3,2 M], добавлен 22.01.2013
  

• Техническое обеспечение автоматизированных информационных систем

  Эволюция технического обеспечения. Основные требования, применение и характеристики современных технических средств автоматизированных информационных систем. Комплексные технологии обработки и хранения информации. Создание базы данных учета и продажи.
  
  курсовая работа [127,1 K], добавлен 01.12.2010
  

• Система заказа железнодорожных билетов

  Изучение методов разработки приложений в среде визуального программирования Visual Studio. Создание программы, реализующей заказ железнодорожных билетов. Язык SQL-запросов в системе управления базами данных MS Access. Тестирование созданной программы.
  
  курсовая работа [1,0 M], добавлен 03.07.2016
  

• Разработка автоматизированной информационной системы "Гостиница"

  Обзор принципов построения и эффективного применения систем управления базами данных, CASE-средств автоматизации проектирования. Анализ возможностей методологии и инструментальных средств. Разработка модели бизнес-процессов гостиницы в среде All Fusion.
  
  курсовая работа [3,3 M], добавлен 28.12.2012
  

• Проектирование системы управления базой данных

  Характеристика сущности и назначения автоматизированных информационных систем (АИС), под которыми понимают совокупность информационных массивов технических, программных и языковых средств, предназначенных для сбора, хранения, поиска, обработки данных.
  
  контрольная работа [24,4 K], добавлен 29.08.2010
  

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам