Анализ и синтез интегрированных информационно-управляющих систем распределенного типа: На примере Астраханского ГПЗ

В настоящее время управление крупным предприятием характеризуется широким внедрением сложных распределенных информационно — управляющих систем (РИУС). Современная РИУС должна решать как вопросы управления технологическим процессом (АСУТП), так и обеспечивать поддержку решения финансовых, управленческих и организационных задач (АСУП), причем взаимосвязи между подсистемами РИУС изменяются в условиях постоянного наращивания количества функций системы.

В результате уменьшается общая производительность РИУС, перегружен канал передачи данных. Необходимо определение наилучшей конфигурации и механизмов взаимодействия подсистем интегрированной РИУС.

Этот процесс происходит обычно на этапах проектирования и разработки системы. Однако опыт эксплуатации Астраханского газоперерабатывающего завода (АГПЗ) показывает необходимость управления конфигурацией и в процессе её промышленной эксплуатации. Необходимо учитывать специфические особенности производства, технологического процесса и уже действующих систем управления, а также целый ряд исторически сложившихся факторов. В частности, неоднородность АСУТП и АСУП привела к созданию большого количества методов построения РИУС, иногда полностью несовместимых друг с другом: как по стандартам передачи данных, так и использующих разнородные платформы (Windows и Unix).

Разработка методов синтеза таких конфигураций РИУС, для которых структура программно-технических средств будет оптимальна (или близка к оптимальной) заключается в эффективном масштабировании системы путем перераспределения на множестве используемых вычислительных ресурсов — серверах, персональных компьютерах, рабочих станциях, управляющих процессорах и т. д. При этом необходимо определить критерии, позволяющие оценить эффективность полученных конфигураций.

Этим вопросам посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых таких, как О. И. Авен, Л. Б. Богуславский, H.H. Гурин, Я. А. Коган, А. И. Ляхов, C.B. Назаров, С. Виноски, В. И. Задорожный, В. П. Иванников, Дурнов П. А. и других.

Данное исследование посвящено объектно-ориентированным методам анализа и синтеза интегрированных РИУС. Представляя собой перспективную и сравнительно новую технологию, рассматриваемая в работе Object Management Architecture (ОМА), не имеет встроенных возможностей для синтеза оптимальных конфигураций, а также средств интеграции между подсистемами различных уровней предприятия.

Астраханский ГПЗ, основанный в 1981 году, является крупнейшим предприятием юга России по переработке природного газа. Предъявляя повышенные требования к РИУС, взрывопожароопасное производство с получением большого количества токсичных продуктов непрерывно развивается: проводится реконструкция, вводятся новые технологические линии. Для управления технологическим процессом используется I/A Series версии 6.2. фирмы Foxboro, которая в настоящее время обслуживает более 15 тыс. полевых устройств. А на уровне АСУП локально функционирует около двух десятков разнородных подсистем.

Таким образом, разработка методов построения, анализа и синтеза оптимальных конфигураций РИУС для такого крупного предприятия, как Астраханский ГПЗ, является актуальной задачей.

Целью диссертационной работы является разработка методов построения интегрированных информационно-управляющих систем распределенного типа, а также методов анализа и синтеза оптимальных конфигураций, программно-алгоритмическая реализация этих методов, на примере Астраханского ГПЗ.

В соответствии с этим в диссертации ставятся и решаются следующие основные задачи:

• исследование современного состояния проблемы построения РИУС, анализ и классификация существующих методов, выбор наиболее подходящего метода;

• формализация основных структурных элементов и построение математической модели РИУС с целью определения показателя эффективности системы;

• разработка метода синтеза оптимальной конфигурации интегрированной РИУС в соответствии с выбранным показателем;

• разработка структуры и интерфейсов взаимодействия, программно-алгоритмическая реализация метода синтеза оптимальных конфигураций интегрированных РИУС в виде кросс — платформенных программных модулей (Windows — Unix) на примере Астраханского ГПЗ;

• обеспечение требуемого уровня безопасности информации.

Объектом исследования является программно-технический комплекс, объединяющий несколько территориально распределенных вычислительных узлов, функционирующих с целью скоординированного выполнения процесса сбора, обработки и хранения технологической, финансовой и организационной информации — интегрированная РИУС Астраханского газоперерабатывающего завода ООО «Астраханьгазпром». Предметом исследования являются конфигурации интегрированных РИУС, реализованных в соответствии с объектно-ориентированными методами построения информационных систем.

В работе использованы методы теории систем массового обслуживания, теории вероятностей, математическая статистика, теория множеств, исследования операций, идеи и методы теории генетических алгоритмов, методы обеспечения защиты информации (криптография с открытым ключом), а также методы разработки программного обеспечения в среде объектных брокеров (CORBA). Использованы CASE-методы проектирования и построения реляционных баз данных и методы создания кросс-платформенных приложений (Windows-UNIX).

Научная новизна исследования заключается в следующем:

• на основе уточненной модели взаимодействия уровней РИУС предложен формализованный комплексный подход к построению информационной системы промышленного предприятия, как интегрированной объектной ИУС распределенного типа, решающей, как задачи управления сложным технологическим процессом, так и организационные и финансовые задачи управления производством с обеспечением требуемого уровня безопасности информации;

• на основе теории массового обслуживания разработана математическая модель для определения количественных оценок производительности конфигураций интегрированных РИУС;

• впервые предложено использовать генетические алгоритмы для синтеза оптимальной конфигурации РИУС, что позволило уменьшить уровень загрузки канала передачи данных в среднем на 20%, а среднее время обработки заявок в системе — в 2−4 раза.

• разработана и реализована универсальная модель реляционной базы технологических данных для хранения информации о средствах физического уровня интегрированной РИУС (более 15 тыс. приборов, обслуживаемых АСУТП Астраханского ГПЗ, сгруппированных в 200 технологических блоков).

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• реализован набор кросс-платформенных модулей для интеграции систем управления технологическим процессом (АСУТП) и систем управления предприятием (АСУП), реализованы методы обеспечения безопасности информации на основе генерации электронной цифровой подписи (ЭЦП) технологических данных;

• даны практические рекомендации по выбору параметров работы алгоритма синтеза оптимальных конфигураций РИУС;

• суммарный экономический эффект от внедрения мероприятий составил 410 тыс. руб.

Методика и программное обеспечение для анализа распределенных РИ-УС и формирования рациональных конфигураций внедрены на Астраханском газоперерабатывающем заводе ООО «Астраханьгазпром», что подтверждено соответствующими актами о внедрении и удостоверениями на рационализаторские предложения.

Результаты исследования используются в учебном процессе в Астраханском государственном техническом университете в курсе «Средства проектирования и сопровождения Интернет / Интранет технологий» для специальности 22.02 «Автоматизированные системы обработки информации и управления», в учебном процессе в Учебном центре ООО «Астраханьгазпром» в курсе «Компьютерные управляющие системы в ремонтном производстве.

Основные результаты работы изложены на IV Международной научно-практической конференции «Наука-Техника-Технологии», г. Находка, 2002 г., научно-технической конференции «Новые информационные технологии в региональной инфраструктуре — НИТРИ», г. Астрахань, 1999 г., IV Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в преподавании электротехнических дисциплин — НИТЭ», г. Астрахань, 1998 г.

Работа состоит из 5 глав, заключения, библиографического списка и приложений. В первой главе рассмотрены особенности процесса переработки сырья на АГПЗ, отличительные характеристики применяемых систем управления технологическим процессом. Рассматриваются также особенности используемых подсистем уровня управления предприятием, их недостатки, выявляются основные задачи и определяются методы их решения. Вторая глава работы посвящена построению формализованного комплексного подхода к моделированию и анализу интегрированных РИУС, а также детальному исследованию уже имеющихся методов. Третья глава посвящена комплексной интеграции отдельных подсистем предприятия в единую ИУС распределенного типа. Четвертая.

глава работы посвящена построению модели интегрированной ИУС распределенного типа, необходимой для синтеза оптимальных конфигураций, определению критерия эффективности функционирования (среднего времени обслуживания заявок в системе). В пятой главе дается обзор имеющихся методов поиска оптимальных решений при реконфигурации РИУС, рассмотрено применение генетических алгоритмов, а также приводится пример решения задачи поиска оптимальной конфигурации применительно к фрагменту системы управления Астраханского ГПЗ. В приложении приведена общая схема материальных потоков Астраханского ГПЗ, структурная схема системы управления (с указанием количества модулей и блоков), функциональная схема интегрированной ИУС распределенного типа, а также фрагменты ГОЬ — описаний РИУС, и фрагменты исходного кода разработанных подсистем «Метролог 2000» и «СИРИУС».

5.6. ВЫВОДЫ.

В настоящее время имеется огромное количество методов поиска оптимальных решений. Среди них следует отметить схемы локальной оптимизации, методы ветвлений, схемы последовательного сокращения области возможных решений и др. Однако сложность решения с помощью этих методов близка к сложности решения методом перебора вариантов, и поэтому не может быть приемлема для применения в задачах проектирования современных РИУС.

В работе предлагается использовать генетические методы, поскольку при увеличении размерности задачи их вычислительная сложность растет медленнее, чем для большинства описанных методов. Однако для их использования необходимо «содержательное наполнение», т.к. генетический алгоритм — всего лишь методика, а не конкретный метод решения данного класса задач. В главе описывается выбор метода кодирования конфигураций, настройка стандартных операций алгоритма, обнаружение и исключение недопустимых решений, выбор начальной популяции и объема популяции, а также штрафные санкции.

Отдельно описано программное обеспечение для синтеза оптимальных конфигурацийЛИС «СИРИУС». Проведены исследования алгоритма, даны рекомендации по I юдбору его параметров. -Фспериментагъное [ расчетное.

Начальная конфигурация Рациоиапьнай конфигурация.

Рис. 39. Результаты выполнения алгоритма поиска оптимальной конфигурации.

Проведенные мероприятия по реконфигурации фрагмента РИУС Астраханского ГПЗ показали эффективность использованных методов. Например, величина загрузки процессоров рабочих станций уменьшилась в среднем на 20%, а среднее время обработки заявки уменьшилось в 2−4 раза (Рис. 39). Это подтверждает правильность выбранного в работе подхода.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе проведена разработка методов построения интегрированных информационно-управляющих систем распределенного типа, а также методов анализа и синтеза оптимальных конфигураций. Предложена программно-алгоритмическая реализация этих методов, на примере Астраханского ГПЗ. Можно выделить следующие основные результаты:

1. Проведен анализ крупного газоперерабатывающего предприятия, показавший наличие большого количества разнородных локальных автоматизированных систем, вызывающих перегрузку программно-аппаратных ресурсов. Выявлена необходимость реконфигурации ИУС с целью оптимизации её функционирования, объединения отдельных подсистем в единую интегрированную ИУС распределенного типа.

2. Уточнена и расширена существующая модель взаимодействия уровней в ИУС распределенного типа, на основе которой классифицированы различные архитектурные решения, определены уровни координации, учитывающие распределенность системы, а также технология проектирования и анализа (Object Management Architecture, ОМА).

3. Формализованы основные структурные элементы интегрированной ИУС распределенного типа, построена математическая модель для определения показателя эффективности (среднее время обработки заявок в системе).

4. На основе генетических алгоритмов разработан метод синтеза оптимальной конфигурации интегрированной ИУС распределенного типа, позволяющий уменьшить среднее время обработки заявок в 2−4 раза.

5. Реализован набор кросс-платформенных модулей для интеграции систем управления технологическим процессом (АСУТП) и систем управления предприятием (АСУП) в единую ИУС распределенного типа.

6. Разработана реляционная модель базы технологических данных, метод обеспечения безопасности информации, на основе автоматически добавляемой электронной цифровой подписи технологических данных (исключающий человеческий фактор).