Разработка метода анализа канальных модулей системы мониторинга технологических процессов

Актуальность темы

В НТК, несмотря на большое многообразие используемых при организации мониторинга техпроцессов сред распространения сигналов, каналообразующего оборудования, часть автоматических линий сбора данных отсутствует. Часто данные поступают на бумажном носителе, по факсу, телефону. В связи с этим имеют место проблемы: неполнота, недостоверность, запаздывание критичной оперативной информациивысокая роль человеческого фактора в принятии решений.

Ситуацию можно объяснить, в частности, ограниченностью квалификации специалистов соответствующих служб при решении задач выбора и настройки систем связи в процессе эксплуатации, обеспечения надежности и качества их работы. Не весь спектр задач, связанных с применением каналообразующей техники, специалисты НТК могут решать с одинаковой эффективностью. По результатам анализа (например, [80]) наблюдается слабое использование КВ-каналов для организации системы мониторинга распределенных техпроцессов. В тоже время имеются промышленные образцы датчиков с передающей аппаратурой, ориентированной на KB (например, в ОНИИП, г. Омск). Для их широкого использования нужна мобильная поддержка настройки (выбора параметров) каналообразующих модулей.

Сегодня эти задачи решаются в замедленном темпе: вызовом специалистов связи или многоэтапно, с использованием локально ориентированного и разрозненного математического обеспечения. Для улучшения ситуации необходим инструмент, позволяющий специалистам НТК самим «собирать» необходимое математическое обеспечение из совокупности доступных алгоритмов и моделей. Такой инструмент нужен как расширение функций АСУ верхнего уровня (систем типа SAP R/3) в сторону формирования компьютерной инфраструктуры поддержки деятельности специалистов по организации и обеспечению мониторинга техпроцессов в производственных комплексах НТК. Соответствующие специалисты — востребованы, а разработка инструмента поддержки их деятельности — актуальна.

Состояние проблемы. При проектировании математического обеспечения в мире укрепился принцип модульности. При этом в процессе создания программной системы определяется «множество элементов, необходимых и достаточных для решения требуемых задач .» [46]. Рассматриваемый нами процесс мониторинга — прежде всего процесс циркуляции данных в АСУТП НТК, т. е. информационный процесс (ИП) [75]. Поэтому множество элементов, на базе которого проектируется математическое обеспечение для канальных модулей систем мониторинга, является структурным подмножеством множества компонентов, охватываемых понятием «информационный процесс». При разработке инструмента поддержки синтеза необходимого математического обеспечения необходимо учитывать, как минимум: (а) современные представления о существе ИП в АСУТП НТК- (б) тенденции эволюции средств математического и компьютерного моделирования ИП- (в) тенденции интеллектуализации пользовательского интерфейса средств моделирования. а) Ранее особое внимание вопросу о структуре ИП в НТК не уделялось. Интенсивное же развитие информатики и средств связи вызывает динамику этого понятия. Мы наблюдаем его эволюцию от определений, данных С. А. Бешенковым, Е. А. Ракитиной, М. П. Лапчиком и др., к результатам, изложенным у Л. Ф. Куликовского и В.В. МотоваН.А. Кузнецова, В. А. Любецкого, А. В. Чернавского, А. Я. Фридланда. Однако в работах этих специалистов не затрагиваются особенности ИП в НТК. Их мы встречаем, например, у Б. Я. Советова и В. М. Стаха. Однако предстоит расширение декомпозиции ИП с учетом, в частности, появления интеллектуальных компонентов и средств жизнеобеспечения ИП. б) Вычислительная информатика стала действенным инструментом познания во всех сферах деятельности: создана фабрика машинного времени.

29], доступны вычислительные ресурсы (кластеры, суперкомпьютеры и пр.) и моделирующие программы (MATLAB, Maple и др., библиотеки моделей на их основе). Однако вопросы: (1) «какой должна быть архитектура вычислительной системы, инструментальных и прикладных программных комплексов?» и (2) «как на существующем техническом и программном обеспечении решать большие задачи?», активно обсуждаемые, например, еще в коллективе академика Н. Н. Яненко (80-е гг. ХХ-го века), остаются открытыми до сих пор. Новые возможности вычислительной техники и потребности ИТ-отрасли (например, появились интерфейсы к универсальным средствам моделирования) заставляют искать новые ответы на старые вопросы, по меньшей мере, в рассматриваемой сфере «ИП НТК». в) Вопрос об интеллектуализации пользовательского интерфейса впервые поставлен в 1968 г. Г. И. Марчуком и А. П. Ершовым. С тех пор утвердился подход к автоматизации программирования с помощью библиотек стандартных программ [43]. «С конца 70-х годов весьма стремительно развиваются и внедряются в практику интеллектуальные пакеты прикладных программ (ИППП)» [60]. Однако созданные программы ориентированы на получение конкретных прикладных результатов. Между тем уровень развития информационного общества и насыщенность отрасли информационными процессами и системами позволяет требовать от специалистов НТК самостоятельно конструировать (формировать) необходимые проблемно-ориентированные компьютерные инструменты решения производственных задач, касающихся канальных компонентов, в частности.

Целью диссертационного исследования является разработка компьютерного инструментария синтеза математического обеспечения для канальных модулей системы мониторинга ТП НТК, использующей среды передачи с переменным затуханием. Достижение цели возможно решением следующих задач:

1. Обосновать репрезентативное множество модулей, отображение которых в виде моделей создаст адекватную базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК.

2. С учетом современного состояния информатики выработать критерий качества для оценки средств работы с полученным множеством модулей, учитывающий адекватные требования к проектируемому инструментарию в сфере НТК.

3. Разработать отвечающий выработанным требованиям компьютерный инструментарий, ориентированный на профессиональный уровень специалиста НТК.

4. Разработать на базе инструментария математическое обеспечение для анализа канального модуля, обеспечивающего заданное качество передачи данных по КВ-каналу в мониторинге техпроцессов НТК.

Методика исследования. Для решения перечисленных задач применены: аналитическое исследование публикацийтеоретические и технические основы информатики и АСУ ТП в НТКсистемный анализчисленное и имитационное моделированиетеория связи, линейная алгебра, включая кронекеровскую алгебру матрицпрограммирование на языках java, javascript, actionscript и в среде MATLAB.

Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ [64−71].

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты обсуждались: на международных конференциях в г. Минске (2002г.), г. Санкт-Петербурге (2003г.), г. Новосибирске (2003г.), г. Тюмени (2003г.) — на региональных конференциях. Основные аспекты работы обсуждались на заседаниях научного семинара «Интеллектуальные информационные системы» ТюмГУ (Тюмень, 2003;2004 гг.), в СибГУТИ.

Основные выводы третьего раздела:

1. Выявлены актуальные в НТК области применения КВ-связи.

2. Показано, что разработанный инструментарий ВСИИП адекватен сформулированным требованиям: с его помощью получены научные результаты при решении научно-технических задач по передаче данных в системе мониторинга техпроцессов в НТК.

3. Впервые численно исследована экспоненциальная сложность алгоритма расчета вероятности вектора ошибки заданной конфигурации в канале с переменным параметром, основанного на методе характеристических функций.

4. Для каналов с хорошими условиями распространения сигнала предложены алгоритмы ускорения вычислений вероятности вектора ошибки за счет приемлемого уменьшения точности.

5. Скорректирована формулировка известной задачи отыскания уравнения цепной линии. Ее решение в новой постановке позволит ускорить вычисления вероятности вектора ошибки для каналов с плохими условиями распространения сигнала.

6. Предложен и программно реализован оригинальный подход, позволяющий определять исправляющую способность кода t и необходимое количество проверочных символов т линейного кода по известным: к — числу информационных разрядов, Q© ~ вероятности ошибочного приема сообщения и параметрам непрерывного канала.

7. Разработано математического обеспечение для имитации цифрового канала связи, позволяющее оценивать качество передачи данных по КВ-каналу с использованием циклического кодирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки компьютерных средств, позволяющих специалистам НТК самостоятельно синтезировать математическое обеспечение для канальных компонент системы мониторинга техпроцессов НТК.

Ранее отсутствовала технология объединения моделей канальных компонент, созданных в различных средах моделирования, в одном проекте. Сами модели и ядра средств моделирования не являлись ресурсом инфосреды производства, науки и образованияресурсом сети Интернет. Активный эксперимент с моделями производится также на базе средств создания виртуальных лабораторий, которые имеют ограничения, затрудняющие их использование специалистами НТК. Поэтому применение созданных моделей ограничено множеством кафедр, университетов, организаций.

Разработанный в работе подход объединяет ядра универсальных средств моделирования для решения пользовательских задач. Основной идеей при этом является то, что для пользователя важны его алгоритм, модель, математическое обеспечение, а то, где они будут физически прогоняться — не имеет значения. Функциональные возможности, реализующего эту идею инструментария — виртуальной среды для исследования (отображения) информационных процессов (ВСИИП) — являются как средством, так и предметом исследований.

В результате разработки и проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие результаты: 1. Разработана обобщенная модель информационного процесса, позволившая обозначить базовый перечень объектов, которыми оперируют инженеры НТК, обеспечивающие функционирование канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В ОМИП обозначены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения.

2. Выявлены ограничения существующих средств проведения компьютерных экспериментов, затрудняющие их непосредственное использование специалистами НГК.

3. Разработана архитектура среды синтеза программного обеспечения (ВСИИП) для поддержки функционирования канальных модулей систем мониторинга технологических процессов. Создан макет этой среды.

4. Показано, что инструментарий ВСИИП адекватен сформулированным требованиям (ему присущи требуемые свойства), а именно:

— полнота и расширяемость (непосредственно пользователем) базы моделирования гарантируется применением и наполнением ОМИП;

— доступность соответствующих средств разработки и исследованиягарантируется тем, что элементы ВСИИП, с которыми работает пользователь, доступны через web;

— доступность для многократного использования создаваемых и существующих моделей и алгоритмов также обеспечивается ВСИИП;

— точность расчетов является свойством используемых нами средств компьютерного моделирования (свойством системы MATLAB).

5. Разработано (в составе ВСИИП) специальное математическое обеспечение, способствующее решению двух научно-технических задач по передаче данных в системе мониторинга техпроцессов НГК. А именно:

— машиноориентированная методика определения исправляющей способности кода t и необходимого количества проверочных символов т. Методика использована при определении качественных характеристик цифрового канала связи;

— алгоритмы ускорения вычислений, понижающие сложность задачи определения вероятности вектора ошибки заданной конфигурации.

Кроме того, заключаем, что возможность разработки математического обеспечения для канальных компонент систем мониторинга ТП НГК подтверждается ' полученными с использованием инструментария ВСИИП научными результатами.

В то же время, не была реализована в полном объеме серверная часть ВСИИП. Точность спроектированных алгоритмов, ускоряющих расчет вероятности вектора ошибки заданной конфигурации, проверена для длин векторов не более 16. Для других векторов время счета значительно (экспоненциальная сложность!): получение точных значений их вероятностей требует специальных средств распараллеливания алгоритмов и счета с применением кластеров (суперкомпьютеров). Оставшиеся нерешенными задачи станут основой дальнейших исследований и разработок.

Научная новизна:

1. Предложена обобщенная модель информационного процесса как минимальное множество модулей-моделей, используемых при идентификации, анализе, исследовании канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В модели впервые отражены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения ИП.

2. Впервые разработана архитектура сетевой технологии, обеспечивающей использование нового вида контента — моделей и алгоритмов компонентов информационного процесса — для организации решения прикладных задач при построении систем мониторинга ТП НТК.

3. Впервые программно реализована процедура совместного решения системы двух известных неравенств, использующая точное выражение для вероятности ошибочного приема блока символов и позволяющая определять характеристики помехоустойчивого кода по физическим параметрам канала связи с переменным параметром с учетом ограничений на качество передачи, характерных для НТК.

4. Впервые исследована сложность задачи вычисления вероятности двоичного вектора ошибки в канале с переменным параметромпредложены оригинальные алгоритмы, ускоряющие вычисления.

В диссертационном исследовании выдвинуты гипотезы: 1. Зависимость сумм значений характеристических функций (ХФ) от числа ненулевых аргументов соответствующих ХФ при расчете вероятности вектора ошибки заданной конфигурации для каналов с плохими условиями распространения сигнала описывается цепной линией.

2. Для отображения динамических данных на компьютере пользователя необходима технология, основанная на протоколе XII.

Практическая ценность. Разработанные на базе ВСИИП математические методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании и анализе линий связи со случайной структурой в комплексах автоматического мониторинга промысловых территорий.

Применение разработанного инструментария рекомендовано при организации единой инфосреды производства, науки и образования, в первую очередь, организациям, занимающимся исследованиями и разработками на базе готовых моделей-модулей. К их числу относятся научные и проектные организации НТК. Принято решение об использовании инструментария ВСИИП в ТюмГНГУ в виде центра коллективного пользования (Акт внедрения от 26 апреля 2005 года). Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная обобщенная модель информационного процесса отражает современные представления о нем в теории связи, в информатике и системологии и позволяет дополнить базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК интеллектуальными блоками и блоками жизнеобеспечения.

2. Разработанная и реализованная архитектура виртуальной сетевой среды на базе оп-Нпе-доступа к комплексу серверов, включая сервер MATLAB, обеспечивает эффективное построение канальных модулей систем мониторинга ТП НТК и использование специализированного программного обеспечения АСУТП, содержащего модели и алгоритмы компонентов информационных процессов.

3. Созданное программное обеспечение вычисления параметров кода, использующее точное выражение для вероятности ошибочного приема блока двоичных символов, позволяет получать результат непосредственно по заданным характеристикам физического коротковолнового канала связи и исходя из требуемого качества передачи технологических данных. 4. Разработанный и реализованный алгоритм вычисления вероятности появления двоичного вектора ошибок, уменьшающий количество суммируемых вероятностных характеристических функций Лапласа, позволяет, как минимум на порядок уменьшить сложность соответствующих расчетов при сохранении точности на уровне 90%.