Система моделирования сложных технических объектов

Содержание
1. История развития
2. Тренажеры
3. Объекты моделирования
4. Технология моделирования и разработки комплекса
5. Типичный состав программного обеспечения тренажерного комплекса
6. Обобщаемые результаты
7. Адаптация к решению новых задач
8. Видимые области разработок
9. Порядок разработки

История развития
Около 18 лет тому назад в ЦПС собралась группа молодых специалистов имеющих теоретические наработки по системам управления химико-технологическими процессами и желание воплотить их на практике. В результате удачного стечения обстоятельств появился Заказчик в лице Череповецкого завода по производству минеральных удобрений. Как следствие после нескольких лет работы мы создали систему управления технологическими процессами с организацией рабочего места оператора процесса на персональном компьютере на базе 286 процессора, работающего в среде MS DOS.

Управление процессами осуществлялось в разомкнутом контуре управления, т.е. выработка управляющих воздействий полностью выполнялась оператором процесса.
Однако в ряде случаев требовалось строить и модели процессов или отдельных их участков, например для выполнение косвенных измерений или решения задач оптимизации режимных параметров, что довольно типично. По данным, получаемым непрерывно с процесса модель можно адаптировать, обеспечивая необходимую ее адекватность как во времени, так и в рабочем диапазоне значений параметров процесса.
Полученные положительные результаты определили решение производственников о развитии системы в результате была создана двухуровневая система управления крупными многостадийными процессами (производствами), где действия операторов отдельных стадий процесса могут корректироваться на более высоком уровне управления – уровне диспетчирования стадий.

Дальнейшее развитие системы определило ее дополнение связью с цеховой лабораторией для оперативного занесения в систему управления данных аналитического контроля и постройкой канала связи (использовалась линия модемной связи) с системой управления предприятием

Системы управления технологическими процессами имеют ряд специфических особенностей которые ставят перед их разработчиками ряд серьезных задач. Основной особенностью таких систем является необходимость работы в реальном масштабе времени т.е. система должна обеспечивать обработку поступающей в нее информации со скоростью не ниже скорости развития событий на технологическом процессе.
Система должна одновременно обеспечивать по меньшей мере:
- получение данных с процесса;
- визуализацию значений параметров;
- автоматический контроль значений параметров;
- передачу управляющих воздействий оператора на процесс;
- протоколирование значений параметров процесса;
- вычисление показателей качества ведения процесса;
- решение типичных задач;
Все эти задачи должны были решаться как правило в условиях ограничений на вычислительные ресурсы – ресурсы производительности и оперативной памяти (компьютеры на базе 286 процессоров имели 640 К оперативной памяти и около 40 Мб памяти на диске)

Основные результаты разработки СУ ТП
Разработка систем в условиях жестких ограничений требовала дополнительных усилий направленных на отработку и совершенствование алгоритмических решений. В результате был накоплен опыт:
Архитектурного построения распределенных систем, работающих в реальном времени
Построения алгоритмов протоколирования значительных объемов информации в темпе ее поступления
Диспетчирования параллельно исполняемых задач
Численной реализации алгоритмов решения систем уравнений, оптимизации и др.
Построения быстрых алгоритмов в условиях дефицита вычислительных ресурсов
Построения алгоритмов организации обмена информацией в сети компьютеров с дефицитом пропускной способности
Реализации систем мониторинга (рабочих мест операторов) на основе их параметрической настройки в специально разработанной для этого среде

Внедрения
Наша система управления технологическими процессами была представлена на рынке России в 90-х годах. Применение:
Особым результатом было то, что сформировался коллектив, способный осуществлять решения сложных практических задач в соответствии с требованиями реальных заказчиков. Эти специалисты составляют ядро нашего значительно возросшего коллектива и сегодня.

Тренажеры
Около 10 лет возникли новые задачи – разработки тренажерных систем подготовки операторов управления сложными техническими объектами в нормальных и аварийных условиях.
Как показал анализ, тренажерная система очень близка по структуре к системе управления. В основе тренажерной среды находится распределенная система мониторинга объекта, которая также обеспечивает и возможность выдачи сигналов управления, но не на объект, а на его модель.
Объект управления
Опыт показывает что разработка и реализация модели объекта и составляет наиболее сложную часть работ при создании тренажерных систем сложных объектов.

Объектами моделирования стали морские суда. Современный корабль представляется совокупностью ряда взаимодействующих подсистем испытывающих возможное влияние аварийных факторов:
Объекты моделирования
Обеспечивающие
Электроэнергетические
Движение
Систем управления
Специальные комплексы
Экипаж
Помещения
Окр. Среда
Аварийные факторы
Корабль

Задачи моделирования
- Расчет состояния подсистем объекта и их элементов под воздействием факторов внутренней и внешней среды;
- Отработка управляющих воздействий, поступающих от руководителя и обучающихся;
- Имитация изменения пространственного перемещения объекта;
- Имитация развития заданных аварийных ситуаций на объекте;
- Запись необходимой информации для обеспечения возможности возвратов на прошлые моменты времени и просмотра реализованной во времени траектории по состоянию объекта.
Масштаб моделируемых объектов
При такой постановке задачи множество параметров состояния объекта может достигать:
- 20-30 тыс. дискретных параметров;
- 20-30 тыс. аналоговых параметров.
При этом полное множество внутренних параметров модели объекта приближается к 100 тыс.
Реализуемая системой продолжительность цикла моделирования находится в пределах 40-50 миллисекунд
на компьютере с тактовой частотой 2.8 Гц.

Учет целей
Большая размерность объекта осложняет задачу. Однако, в зависимости от целей моделирования
могут быть сформулированы разумные допущения и ограничения исключающие из
рассмотрения несущественные в данном исследовании свойства объекта.
Например, цель имитации развития пожара – обучение экипажа принятию решений обеспечивающих минимизацию ущербов от воздействия аварийных факторов и их последствий. Задача системы моделирования отображается следующей схемой:
Таким образом, в данном случае необходимость имитации собственно процесса горения не превалирует.

Комплексность модели
Модель сложного объекта создается на основе моделей его подсистем и ряда вспомогательных моделей, обеспечивающих расчет существенных изменяющихся во времени свойств элементов подсистем. Соответствующая организация данных моделирующего комплекса обеспечивает возможность построения взаимодействия моделей. Состояние подсистем в очередной момент времени рассчитывается с учетом не просто их прошлого состояния, но и дополнительной информации, например, о поступивших командах управления, изменениях в электропитании, исправности элементов. В результате формируется комплексная модель объекта обеспечивающая имитацию его изменяющегося во времени состояния как единой системы.
Состояние
на прошлом
шаге
Выходные
параметры
других
подсистем
Доп.
Информация
Состояние на данном шаге

Условия производства вычислений
Как и при управлении технологическими процессами моделирующий комплекс (МК) тренажерной системы помимо решения основной задачи - вычисления состояния объекта во времени (ускоренном или замедленном) должен обеспечивать параллельное выполнение ряда других задач:
- протоколирование полного состояния моделирующей системы;
- протоколирование управляющих воздействий операторов;
- протоколирование состояния интерфейсов рабочих мест;
- организация сетевого обмена с системой мониторинга и управления.
Эти режимы не имеют строгих границ, так в режиме исполнения модели может быть выполнен переход на прошедший момент времени и продолжено моделирование с этого момента с другой последовательностью управляющих сигналов. Наоборот, при анализе архивной записи можно перейти к моделированию в любой момент времени.

Технология моделирования и разработки комплекса
Реализация моделей сложных объектов «вручную» т.е прямым программированием нерациональна. Причиной тому большая размерность, большая связность подсистем объекта, ограниченные сроки разработки. С другой стороны, сложные объекты могут иметь подсистемы, функционирующие на основе близких физико-химических процессов (например, переноса вещества и энергии). Это дает возможность автоматизировать разработку моделей объектов функционирующих на основе подобных процессов. Инструментальная моделирующая система порождает набор данных, содержащий информацию о структуре модели и свойствах отдельных ее элементов. Исполнительная система, работающая в составе вычислительного комплекса, принимает эти данные и обеспечивает расчет состояния объекта во времени.
Интерфейс инструментальной системы обеспечивает возможность разработки моделей определенного класса на основе определения топологии взаимосвязей и характеристик элементов подсистемы без какого-либо программирования.

В классе рассматриваемых объектов нами разработаны и используются системы автоматизации моделирования: - Процессов массо-теплопереноса (для моделирования обеспечивающих подсистем) и среды в помещениях;
- Процессов производства, распределения и потребления электроэнергии;
- Движения объектов заданного класса;
- Состояния среды в помещениях объекта;
- Состояния элементов оборудования.
Опыт разработки систем мониторинга технологических процессов подсказывал возможность использования технологий параметрической специализации систем мониторинга также на основе использования инструментальных систем. В результате разработка систем мониторинга выполняется по похожей схеме:

Развитие инструментальных средств идет постоянно. В настоящее время осуществляется поиски путей реализации качественного скачка в направлении повышения степени визуализации (в т.ч. и трехмерной) определяемых характеристик и свойств, автоматизации построения межмодельного взаимодействия и реализации связности моделей, автоматизации тестирования и отладки.
Использование инструментальных систем позволяет также снизить требования к квалификации разработчиков осуществляющих моделирования подсистем объекта и создание систем мониторинга.
Пример моделирования системы трубопроводов.

Типичный состав программного обеспечения тренажерного комплекса
В состав программного обеспечения типичной тренажерной системы на базе модели объекта в общем случае входят:
- Программные среды мониторинга (обучающихся, руководителя, системы отображения информации коллективного пользования);
- Моделирующий комплекс;
- Прочие среды реализации режимов работы (например, автоматизированная система обучения, система психо-физиологического тестирования, система контроля);
- ПО подготовки занятий;
- База данных и интерфейсы взаимодействия с ней;
- Конфигураторы режимов работы, утилиты, тесты;
- Подсистема диспетчирования комплекса.

Функции подсистем ПО.
Среды обеспечения режимов использования предназначены для реализации заданных режимов работы (тренировка, теоретическое обучение, контроль и т.п.). Одним из режимов является подготовка учебных материалов для проведения занятий. Приложения реализующие эту подготовку также относятся к данному классу.
Интерфейсы баз данных обеспечивают:
- занесения информации по пользователям в базу данных системы;
- формирования и корректировки программ обучения;
- просмотра и анализа результатов занятий.
Конфигураторы необходимы для формирования рабочих мест требуемого назначения на станциях компьютерной сети. Одновременно может быть создано несколько независимых рабочих групп каждая из которых реализует свой режим работы в системе, т.е. получается несколько виртуальных тренажеров, но с меньшим числом рабочих мест, чем в полной конфигурации.
Подсистема диспетчирования комплекса обеспечивает:
- отслеживание состояния сетевых станций;
- идентификацию пользователей по базе данных;
- модификацию функциональных возможностей интерфейса базового уровня в зависимости от типа пользователя;
- диспетчирование приложений пользовательского уровня.

Обобщаемые результаты
Представляемые решения специализированы для определенного класса объектов, вместе с тем целый ряд полученных результатов обладает достаточной общностью, что обеспечивает возможность их использования в более широкой области непосредственно или после соответствующей подстройки. К числу этих результатов относятся:
- Научные
- Технологические и архитектурные

- Программные

Адаптация к решению новых задач
Изложенные выше общие результаты достаточно универсальны и могут быть использованы при решении проблемных вопросов в различных областях непосредственно или при соответствующей модификации:
Можно выделить несколько категорий направлений адаптации:
- Адаптация в родственных направлениях;
- Адаптация с возможностью использования решений по реализации подсистем;
- Адаптация с возможностью использования опыта;

1. Адаптация в родственных направлениях.
Разработка систем моделирования в других областях и по другим типам объектов. Цели могут быть разными:
- подготовка операторов управления реальными объектами;
- исследование поведения объектов;
- системы обучения и подготовки персонала управления объектами.
Специфика предметной области при разработке программных решений будет проявляться:
- в специфических требованиях по назначению продукта;
- в терминалогической специфике предметной области;
- в специфике используемого математического аппарата предметной области;
В соответствии с этим может возникать потребность адаптации или разработки на основе имеющегося опыта:
- интерфейсов пользователя (словарь терминов, язык, интерфейс визуального проектирования моделей объекта);
- методов и алгоритмов реализации моделей объектов;
- функционального набора систем мониторинга и моделирующего комплекса (в соответствии с целями разработки и требованиями к системе).
Адаптация в родственных направлениях сосредоточена в основном на реализации собственно моделирующего ядра и инструментальных систем.

2. Адаптация с возможностью использования решений по реализации подсистем
Разработка программных продуктов содержащих подсистемы аналогичные имеющимся:
- системы оценки состояния (мониторинга) промышленных и непромышленных объектов;
- системы управления технологическими процессами;
- системы оценки проектных решений;
- системы автоматизации научных исследований.
Если возможна декомпозиция системы с выделением программных подсистем функционально-подобных, тем по которым имеются прототипы, то это позволит существенно сократить сроки разработки данных компонент, а также проектирование механизмов их взаимодействия с подсистемами окружения.
3. Адаптация с возможностью использования опыта
В различных программных системах можно найти общие свойства:
- Архитектура построения,
- Реализация интерфейсов,
- Реализация межпрограммного и межмашинного обмена,
- Производство вычислений,
- Численная реализация математических методов,
- 3-х мерная визуализация и т. д.
Опыт накопленный при реализации программных систем в течении многих лет также может быть полезен в новых разработках.

Видимые области разработок
Разработки
Исследование поведения сложных
объектов в заданных условиях
внутренней и внешней обстановки
Управление объектами
Системы научных
исследований
Системы обучения
(в т.ч. E-Learning)
Системы подготовки операторов

Типичные цели моделирования объектов
- Исследование поведения объектов в изменяющихся условиях внутренней и внешней обстановки;
- Определение оптимальных режимов эксплуатации (промышленных) объектов;
- Выбор (оптимизация) проектных решений при создании новых объектов;
- Оценивание последствий принимаемых решений;
- Минимизация ущербов (потерь) при эксплуатации объектов в сложных (аварийных) условиях;
- Обучение специалистов.
Формулировка целей очень важна т.к. это во многом определяет выработку разумных допущений и ограничений при разработке модели объекта, а зачастую и сам вид математического описания объекта.

Возможные объекты:
- технические объекты;
- непрерывные технологические процессы и производства; - экологические системы;
- биологические системы;
- другие.
Возможные технологические решения:
- Автономные моделирующие системы;
- Локальные моделирующие системы;
- Использование Веб-технологий при организации взаимодействия систем мониторинга с сервером моделирования (моделирующим комплексом);
- Системы распределенного моделирования.