Методы и средства информационной базы анализа энергосистем

Актуальность работы. ХХУТ съезд КПСС в программном документе, цринятом 2 марта 1981 года «Основные направления развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года /I/ указал:

В электроэнергетике., продолжить работы по дальнейшему развитию Единой энергетической системы страны, повышению надёжности и качества электроснабжения народного хозяйства." .

Повышать качество. планирования и анализа хозяйственной деятельности с эффективным использованием электронно-вычислительной техники." .

Улучшить организацию планирования, структуру, формы и методы работы плановых органов. Внедрить и эффективно использовать автоматизированную систему плановых расчётов" .

В области естественных и технических наук сосредоточить уси-^ лия на решении следующих проблем: совершенствование вычислительной техники, её элементной «: базы и математического обеспечения, средств и систем сбора, передачи и обработки информации» .

В свете принятых решений исключительно актуальным является создание комплексов средств математического обеспечения, позволяющего^{производить} анализ планов развития Единой энергетической системы СССР и входящих в неё энергосистем. Эти средства применимы как на уровне подготовки и оценки плановых решений, так и на уровне конкретизации, корректировки и выполнения планов.

Система средств представляет собой мощный аналитический инструмент, позволяющий оценивать функционирование энергосистем при различных вариантах их развития. Она состоит из ряда моделей, которые объединяются в один исследовательский комплекс по принципу единой информационной базы, единой системы математического обеспечения средств подготовки, хранения, доступа к информации, и п< цринципу единой системы управления машинным экспериментом с моделями в режиме диалога человек-ЭВМ.

Пелъго диссертационной работы является разработка методов и средств математического обеспечения для создания комплекса имитационных моделей анализа вариантов развития энергосистем. Разрабатываемые средства математического обеспечения цризваны обеспечить единую методику работы со всеми моделями комплекса, предусматривая модульность, гибкость, непрерывность его развития, цростоту включения в комплекс новых моделей, создание единого математического аппарата описания закономерностей и параметров для всех моделей, а также единого механизма проведения машинных экспериментов на моделях.

Основные задачи диссертационной работы следующие,.

1. Исследование существующих и проектируемых моделей анализа вариантов развития энергосистем (глава I) с целью выявления: а) специфики используемой информацииб) характера логических связей между элементами этой информациив) характера результатов работы моделей.

2. Анализ современных методов, подходов и средств, применяемых в деле постановки, проектирования и использования имитационных мог делей, с целью определения состава средств математического обеспечения имитационно-моделирующего комплекса,.

3. Исследование (глава И) различных логических моделей данных с целью выбора той логической модели, которая соответствует назначению моделирующего комплекса.

4. Разработка требований к банку данных и диалоговой системе на основании цроведенных исследований,.

5. Разработка архитектуры банка данных, т. е., состав подсистем и характер их связей.

6. Разработка, в соответствии с выбранной логической моделью данных, методики и формального аппарата для анализа данных, для синтеза схемы хранения данных и для манипулирования даннымиразработка входных языков и способов реализации подсистем банка.

7. Разработка входного языка и способа реализации диалоговой системы банка данных (глава 1У).

8. Реализация разработанных подсистем банка данных и диалоговой системы банка данных.

9. Реализация и внедрение имитационно-глоделирующего комплекса анализа вариантов развития энергосистем.

Основные идей работы следующие.

1. Банк данных является основным средством, осуществляющим объединение отдельных моделей анализа вариантов развития энергосистем в единый исследовательский комплекс на основе единой базы данных.

2. Диалоговая система банка данных является средством управления машинным имитационным экс пер игле нт ом в режиме диалога человек-ЭВМ.

3. Наиболее приемлемая логическая модель данных для задач моделирующего комплекса — сетевая модель с выделенной иерархией.

4. Принятое в реляционных моделях данных /60, 61, 62, 63, 64/ составление схемы базы данных на основе объединения нормализованных описаний отношений между данными оправдано на этапе первичного описания информации. Однако в дальнейшем использование автоматизированных процедур синтеза отношений может привести к потере эффективности доступа, недостаточному использованию специфики логических связей и частотных характеристик использования этих связей. Поэтому целесообразно разработать специализированный формализм и методику работы с базой данных на основании, во-первых, первичного нормализованного описания отношений, во-вторых, специфики и частоты использования логических связей.

5. Принятое в реляционных моделях данных выделение документов, или таблиц, методом реляционной алгебры соответствует методу выделения семейства траекторий в сетевой модели базы данных. На основе этого метода должны быть построены основные подсистемы банка данных.

Для обеспечения взаимно-однозначного соответствия медду вну-тримапшнным и внешним «чсловеко-читаемым» цредставлением документов банка данных необходимо использовать некоторый специальный формализм задания «макета» документа.

Ключевой и позиционный методы идентификации реквизитов документа банка могут быть объединены, если в качестве ключа реквизита использовать его позиционный номер.

6. Разработанный автором метод структурного диалога позволяет объединить известные в литературе методы организации диалога человек-ЭВМ: метод «меню», метод «анкета», метод «директива» и «сценарий диалога» -: тем самым обеспечивается многофункциональность, оперативность, наглядность и удобство работы человека в режиме работы диалога с ЭВМ.

Методика выполнения исследований вытекает из сущности поставленных задач.

1. Метод анализа современных разработок и средств был црименён на этапе определения состава необходимых средств математического обеспечения, на этапе выбора логической модели данных, формулировки требований к банку данныхна этапе создания формализмов входных языков банка данных и на этапе разработки диалоговой системы банка данных.

2. Реализация подсистем банка данных производилась методом построения прекомпиляторов на промежуточные языки с дальнейшим использованием интерцретаторов этих языков.

3. Опробование и развитие каждой из подсистем осуществлялось методом машинного эксперимента в процессе реализации комплекса анализа вариантов развития энергосистем с использованием реальной информации и при подключении реальных моделей.

Опробование и развитие диалоговой системы осуществлялось сперва посредством машинного эксперимента, затем, после включения ее в состав ИНЕС, методом анализа ее работы в условиях функционирующих систем на основе ИНЕС и анализа пожеланий и потребностей пользователей системы.

4. Внедрение банка данных ИНЕС/ЭНШ осуществляется методом передачи дистрибутивной магнитной ленты, содержащей автоматизщю-ванные процедуры адаптации банка данных к условиям конкретной вычислительной установки.

К защите представляется следующее.

На основании проведенных исследований найдены новые решения.

I. В области построения архитектуры и входного языка банка данных для создания моделирующего комплексарешение характерно тем, что: а) используется сетевая логическая модель данных с возможностью выделения иерархии, что дает наибольшую эффективность в организации хранения данных и доступа к ним, максимальную возможность учета специфики использования информацииб) в то же время используется ряд важных возможностей реляотобракения ционной модели данных, а именно: применяется метод схемы базы данных на документы банка данных, посредством форм ввода и вывода информации, используется также метод нормализации логических отношений при первичном описании информации—это обеспечивает сравнительную простоту работы с базой данныхв) документы банка данных не обязательно должны быть нормализованными, что, в частности, позволяет избежать повторения ведущих ключевых реквизитов в каждой строке й допускает наличие неопредеделенных значений реквизитовг) обеспечена организация передачи данных от банка к моделям и обратно через промежуточные наборы данных, куда включе ны документы банка, что дает возможность поочередного использования подсистемами банка оперативной памятибанк данных не «отнимает» у моделей оперативной памятитакая организация передачи данных обеспечивает совместимость с системами управления базами данных другого типа, например, такими, как СЕТОР (Институт Энергосетьцроект), банк в системе ДОС ЕС (ЭНИН), СУИБ «ЭЛЕКТРА» СОДУ ЕЭС СССР).

2. В области построения диалоговых систем управления процессом проведения модел1фующего эксперимента новое решение характеризуется следующим: сценарий диалога задается логической сетью, с использованием тех же понятий, которые применяются при описании информационной логической сетиэто позволяет: а) использовать схему базы данных как описание сценария диалога, управляемого даннымиб) объединить, в рамках одного формализма, использование методов организации диалога: «меню», «анкета», «директива» .

Научная новизна работы заключается в том, что удалось обобщить элементы методики работы с реляционной моделью данных на случай иерархической и сетевой модели данных. Это привело к следующему:

I. Разработан новый математический аппарат: а) идентификация, описания способов хранения и организации логических связей в базе данных сетевого типа с возможностью вццеления иерархий на основании первичных нормализованных описаний информацииб) описания проекций схемы базы данных на ненормализованные входные и выходные документы банка данныхв) описание внутримашинных документов банка данных и их соответствия внешнему (человеко-машинному) представлению.

Он характеризуется сравнительной цростотой, лаконичностью и возможностью сочетать эффективность сетевой модели данных с удобством и наглядностью реляционной модели.

2. Разработан новый метод организации диалога человек-ЭВМ, метод структурного диалога, который, объединяя в себе возможное-ти известных в литературе методов «меню», «анкета», «директива» и «сценарий диалога», позволяет создавать универсальную систему математического обеспечения и организовать оперативный и наглядный процесс общения человека с ЭВМ,.

3″ Разработан новый метод объединения моделей анализа вариантов развития энергосистем в единый технологический комплекс на основе единой базы данных и единой системы уцравления машинным моделирующим экспериментом в режиме диалога человек-ЭВМ,.

Практическая ценность работы заключается в создании удобного, гибкого и технологичного инструмента, который позволяет создавать комплекс различные моделирующие комплексы, в частности", анализа вариантов развития энергосистем, который, в свою очередь, может быть использован для разработки пятилетних и годовых планов, согласования плановых решений внутри Минэнерго СССР и между Минэнерго и Госпланом СССРкфрекмровки рассматриваемых вариантов развития в соответствии с техническими требованиями и ограничениями энергосистем.

Реализация результатов работы заключалась в создании средств математического обеспечения банка данных, диалоговой системы, в подключении к банку данных моделей анализа вариантов развития энергосистем и внедрении комплекса.

В настоящее время комплекс моделей анализа вариантов развития энергосистем на основе банка данных ИНЕС/ЭНШ внедрён в Центральном Диспетчерском Управлении Единой Энергосистемы СССР, в институте «Энергосетьпроект» и его отделениях — Горьковском и СевероЗападном. Банк данных ИНЕС/ЭНШ проходит промышленную эксплуатацию в ИЕЦ Мосэнерго, ЦКБ «Энергоремонт», институте «Энергонот», Комплекс моделей анализа вариантов развития энергосистем на основе банка данных ИНЕС/ЭНШ проходит опытную эксплуатацию в ГВЦ Госплана СССР,.

Система математического обеспечения структурного диалога вошла в состав информационной системы ИНЕС и в её составе внедрена, примерно, в 1000 организациях. По данным анкетирования, проведённого во ВНИИСИ АН СССР /68/ её применяют 41% организаций, использующих ИНЕС. Тем самым, система математического обеспечения структурного диалога реально используется, приблизительно, в 410 организациях различных министерств и ведомств СССР.

Документы о внедрении приведены в приложении щ.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались: на совещаниях по банкам данных, проводимых Центральным Диспетчерским Управлением ЕЭС СССР в 1978, 1979, 1980 и 1981 гг. в г. Конаковона заседаниях Методического Совета по математическому обеспечению в эксплуатационных организациях Минэнерго СССР в марте 1982 года в г. Истра Моск. обл-, а также в сенятбре 1982 года в г. Алма-Атана семинаре «Опыт использования баз данных ИНЕС», цроводимым Московским Домом научно-технической пропаганды в феврале 1983 г.- на Четвёртом семинаре «Имитационный подход к исследованию больших систем в энергетики» в г. Иркутске в сентябре 1982 г.- на заседаниях секции Учёного Совета Государственного научно-исследовательского энергетического института им. Г. М. Кржижановского в 1981 и в 1982 гг.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 7 печатных работ /2, 74, 78, 79, 80, 82, 83/.

Объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и .трех. приложений.

ВЫВОДЫ.

Для того, чтобы сделать диалог человек — ЭВМ удобным, оперативным и простым в работе, используется ряд методов — «меню», «анкета», «директива». Применение этих методов цриводит к необходимости использования специальных языков, позволяющих описывать сценарий диалога. Удобным языком такого типа, который может имей достаточно широкое применение, является язык структурного диалога разработанный автором и описанный в настоящей главе.

Метод структурного диалога использует понятия логических связей между элементарными вопросами и их совокупностями — документами структурного диалога. Эти связи имеют тот же характер и логику, что и связи между данными, находящимися в базе данных. Такое подобие типов логических связей позволяет использовать описание базы данных как способа создания сценария структурного диалоге о о так называемый диалог, управляемый данными.

Автором проведена реализация подсистемы ПРОСМОТР И КОРРЕКТИРОВКА БАЗ ДАННЫХ, которая осуществляет диалог, управляемый данными.

Тот факт, что для описания сценария диалога достаточно использовать те же средства, что и для работы с базой данных, позволяет применить диалог, управляемый данными, и для других целей, в частж сти, для организации управления процессом решения задач. Для этой цели в базе данных организуются структуры специального вида — паспорта задач. Диалог, уцравляемый данными, организует решение цепочки программ, входящих в паспорт задачи, с теми именами и теми значениями параметров, которые записаны в базе данных.

Для обеспечения процесса решения задачи под управлением монито ра структурного диалога необходим ряд сервисных средств. Состав этих средств и их реализация описаны в настоящей главе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Реляционный подход к построению и использованию баз данных CTaj весьма популярным благодаря работам Кодда /60, 62, 63, 64/ и Дейт£ /61/. Он привлекателен по цричинам математической традиционности i простоты.

Применение этого подхода заключается в следующем. Вся информащ разбивается на элементы (домены), которые объединяются в первичные однородные документы по признакам нормализации логических отношений (см. приложение I и глава I, п. 2).

Описание первичных однородных документов образует базис для дальнейшей работы с информацией. Понятие базиса здесь аналогично, например, понятию базиса в линейной алгебре. Все другие документы выражаются через документы базиса посредством формальных процедур соединения (JOIN), построения цроекций (PROJECT) и выбора (SELEC' В частности, схема базы данных образуется как объединение всех nej вичных отношений (аналогия из линейной алгебры — построение линейного пространства). В дальнейшем работа с информацией происходит посредством построения проекций схемы базы данных на пользовательские подсхемы и на вторичные входные и выходные документы базы данных.

В настоящей работе производится, по существу, обобщение методики работы с реляционной моделью данных на случай работы с базой данных сетевого типа с выделением иерархии.

При разработке подсистемы ПРОСМОТР И КОРРЕКТИРОВКА. БАЗ ДАННЫХ В РЕЖИМЕ ДИАЛОГА ЧЕЛОВЕК-ЭВМ для базы данных сетевого типа, автор обратил внимание на тот факт, что информация отображается на экра не дисплея более наглядно и компактно, если сетевые структуры объ единяются в иерархии таблиц. Оказалось, что эти таблицы обычно удовлетворяют условиям нормализации в смысле, который придаёт этому Кодд/62/, а если не удовлетворяют, то возникают серьёзные неудобства в работе с базой данных. Это цривело к тому, что описание базы данных производилось в два этапа: сначала в терминах «экранных табличек», то есть, нормализованных документов, затем производилось их объединение в сетевые структуры.

Оказалось, что оба этапа существенны, так как первый этап определял характер информации, а второй — позволял учесть специфику и частоту использования логических связей. Применяемое в реляционны: моделях данных дальнейшее автоматизированное объединение не позволило бы в этом случае учесть все соответствия между структурой хранения и частотой использования связей, что значительно уменьшило бы эффективность работы базы данных. Поэтому представилось целесообразным, оставив в целом наиболее эффективную в плане использования машинных ресурсов сетевую логическую модель данных, использовать в то же время методику работы, применяемую в реляционных моделях баз данных.

С позиций составления описания сетевой базы данных на основе первичных нормализованных описаний документов (отношений) разработан язык подсистемы ОПИСАНИЕ ДАННЫХ и произведена реализация этой подсистемы (глава П, п. I).

При разработке языка подсистем ВВОД и ВЫВОД была принята методика построения проекций схемы базы данных на цроизвольные, в том числе ненормализованные, документы банка данных. Был выбран язык внутримашинного представления документов (глава П, п. 2), необходимых для передачи информации от базы данных к моделям и обратно. Затем были разработаны языки подсистем ВВОД и ВЫВОД для описания проекций базы данных на входные и выходные документы с заданием условий выборки и ввода. Использование специфики применения метода проекций позволило сделать эти языки весьма простыми. Для осуществления взаимно-однозначного соответствия между внутримашинным и внешним (человеко-читаемым) представлением ненормализованных документов банка данных разработан формализм макетирования документов (глава П, п. 5). Реализована подсистема ПЕЧАТЬ, осуществляющая преобразование внутримашинного представления документов во внешне" человео-читаемое, по макетам печати.

Механизм передачи данных через промежуточные наборы данных, содержащие ненормализованные документы, оказался удобным и цримени-мым для широкого класса задач. В частности, он достаточно легко позволяет обеспечить связь по данным с системами управления базам] данных другого типа, такими как СЕТОР в институте Энергосетьпроегс СУИБ «Электра» в ЦПУ ЕЭС СССР, с системой ДОКУМЕНТ ГВЦ Госплана СССР. Этот механизм позволяет достаточно эффективно использовать оперативную память ЭВМ. Программы подсистем ВВОД и ВЫВОД не находятся в оперативной памяти одновременно с программами пользователя, а, наоборот, осуществив ввод или вывод информации из банка данных, освобождают оперативную память.

Однако в ряде случаев состав необходимой информации для решени задачи (обычно не модели, а утилиты) заранее не известен и опреде ляется только в процессе решения. Для этого случая разработана подсистема ДОСТУП, позволяющая осуществить доступ к информации ба зы данных из программ на языке ПЛ/1. Язык подсистемы продиктован, с одной стороны, сетевым характером логической модели данных, с другой стороны, стандартами и логикой языка программирования ПЛ/1.

Использование метода выделения базиса нормализованных отношени из логических связей базы данных сетевого типа позволило создать диалоговую систему просмотра и корректировки баз данных. Автором сделак*вывод о том, что структура сетевой базы данных, по существу оцределяет сценарии диалога, позволяющий организовать диалог, упр вляемый данными. При этом применяются описанные в литературе методы организации диалога — метод «меню», «анкета» и «директива» /69 70, 71, 72, 84/.

Оказалась возможной постановка обратной задачи — формирование описания сценария произвольного диалога в виде сетевой структурно! схемы. При этом для описания сети сценария диалога используются те же понятия и тот же формализм, что и для описания данных. По такому описанию создаётся база данных или её фрагмент, описывающий сценарий диалога. Включение в такую базу данных паспортов заданий позволяет использовать её как систему управления решением задач.

Разработанный метод, названный автором методом структурного диалога, обеспечивает многофункциональность и удобство работы человека в режиме диалога с ЭВМ. Этот метод и его математическое обеспечение легли в основу реализации диалоговой системы организации проведения имитавдонно-моделирующего эксперимента.

Использование метода построения проекций схемы базы данных на входные и выходные документы оказалось весьма удобным для целей построения моделирующего комплекса: вначале происходит определена нужного территориально-временного разреза информации и определен®состава информации, затем выбор информации (при помощи формы вывода подсистемы ВЫВОД) в промежуточный набор данных, затем моделирование и просмотр результатов работы модели.

Обобщение методики работы с реляционной базой данных на случай других логических моделей данных вызвало на обсуждениях большой интерес. В частности, институт «Знергосетьпроект» начал разработку аналогичных средств для системы управления базами данных СЕТОР При этом используются способы внутримащинного цредставления документов в стандартах ИНЕС/ЭНИН, что обеспечивает автоматическую совместимость с банком данных ИНЕС/ЭНИН по информации. В дальнейшем предполагается развитие реляционных свойств бант данных ИНЕС ЭНИН, в частности, намечена разработка подсистемы построения поль зовательских подсхем методом проекций схемы базы данных, а также подсистемы обеспечения ¡-прямого и последовательного доступа к доку ментам, определённым подсхемой. Планируется разработка новых утилит и сервисных средств. Ведётся работа по расширению комплекса моделей, в частности, электросетевых, подключение модели расчёта установившихся режимов и т. д.

Постоянно ведётся работа по внедрению комплекса моделей на оснс ве банка данных ИНЕС/ЭНШ и по внедрению банка данных для решения различных задач, в том числе, для создания различных моделирующих комплексов. Внедрение описано в приложении 1П .