книги из ГПНТБ / Баясанов, Д. Б. Автоматизированные системы управления трубопроводными объектами коммунального хозяйства

идет о разработке информационной системы, охватываю­

щей именно устаревшие механические операции. В этом

плане под интегральной обработкой информации следует

понимать такую систему сбора, передачи, обработки, хра­ нения и выдачи данных, в которых реализуется принцип

однократной фиксации этих данных и сообщений на обычные

или машинные носители, обработка этих показателей и их

многократная выдача для решения задач во всех подсисте­

мах АСУ с учетом централизации процесса хранения. Одно­

кратная фиксация информационных сообщений и данных позволяет сократить число маршрутов документов, умень­

шить общую трудоемкость процесса занесения показателей

на носители информации, резко повысить объективность

и достоверность передаваемых данных. Последнее обстоя­

тельство является весьма важным, так как в настоящее вре­ мя многие показатели о работе различных подразделений коммунальных хозяйств собирают и передают службы раз­

личных ведомств, несмотря на их полную идентичность.

При этом и возникают искажения при сборе, многократной

переписке, передаче, обработке, итоговой печати показате­

ции показателей широко распространено при создании АСУ

в американской практике, где обычно источники учета не подразделяются на различные виды (бухгалтерский, опера­

тивный, статистический и др.). Здесь разрабатывают единые формы учета, основанные на единых первичных документах, которые, однако, учитывают требования различных служб и подразделений АСУ, где эти документы после соответст­

вующей машинной обработки должны быть использованы.

Организация интегрированной обработки данных предъ­

являет некоторые специфические требования и к техниче­

ским средствам, используемым в процессе. Для реализации

таких информационных систем необходимы вычислитель­

ные комплексы с развитой внешней памятью, имеющей произвольный доступ к информации (магнитные ленты, маг­

нитные диски, магнитные карты и т. п.), так как лишь с по­

мощью таких устройств можно осуществить эффективный

сбор, обработку, хранение и выдачу громадных объемов сообщений и данных, циркулирующих в 'АСУ. В отноше­ нии централизации хранения информационных показате­

120

лей, как уже отмечалось в предыдущем параграфе, суще­ ствуют различные мнения, среди которых распространено, в частности, и следующее: все данные справочного харак­ тера необходимо хранить централизованно в одном месте, что позволяет при различных расчетах использовать обоб­ щенные и неискаженные показатели. Как показывает уже накопленный опыт разработки, внедрения и функциони­

рования АСУ производственными и технологическими про­

цессами в различных отраслях народного хозяйства, та­

кой подход может быть оправдан в небольших системах

малоуровневого плана. В таких системах, как АСУ, различ­ ными отраслями коммунальных хозяйств, имеющих иерар­ хическую структуру управления и контроля, вопрос о цент­

рализации хранения справочной информации вообще лишен

практического смысла, так как в этом случае каналы связи информационной сети были бы, очевидно, целиком за­

гружены огромным количеством сообщений, передаваемых

в различных подсистемах. Наиболее вероятно, что кана­

лы связи в этом случае вообще не справились бы со своими

функциями.

Очевидно, система хранения справочных данных долж­

на носить смешанный характер, т. е. совмещать в себе цент­

рализованный принцип хранения информации с децентрали­

зованным. Причем вопрос о методе хранения должен быть

решен конкретно для каждого показателя в зависимости от частоты его использования, количества потребителей, мест

их расположения и т. п. При всем этом задача сохранения

достоверности информации остается одной из важнейших при построении информационной системы АСУ.

Внедрение интегрированной системы обработки, инфор­ мационных данных немыслимо сразу в полном объеме привнедрении АСУ. Поэтому необходим четкий план поэтапной реализации этих задач. Однако построение общей системы

обработки данных на информационной модели должно пред­

шествовать всем этапам ее внедрения, так как лишь только в этом случае будет получена удовлетворительная стыковка решаемых здесь задач.

рактеризующих объем этой информации, необходимы дан­

ные по всем предприятиям и ‘ объектам трубопроводной,

отрасли коммунального хозяйства. Часто такими данными при проектировании информационной системы не распола­

121

Г л а в а III. ВОПРОСЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ

§ 1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУ

Математическое обеспечение АСУ, его информационно­ вычислительных центров со сложными ЭВМ представляет собой весьма трудоемкую и объемную область разработки и реализации автоматизированных систем управления. Это целиком и полностью следует отнести и к АСУ коммуналь­

ных хозяйств, где разработка математического обеспечения,

исходящая из общих принципов построения этой системы

как единого комплекса с органически входящими в нее от­

раслевыми подсистемами (производственными, технологи­

ческими и т. п.) и принятой иерархии управления, является

одной из важнейших предпосылок к успешному функциони­ рованию всего комплекса. По данным мировой практики

разработки и внедрения АСУ стоимость математического обеспечения таких систем составляет в настоящее время около половины всех ассигнований на создание комплекса, и эта доля имеет тенденцию к возрастанию. В этой связи

стараются создавать такое техническое оборудование АСУ,

включая и средства вычислительной техники, при котором

разработка математического обеспечения всего комплекса

была бы как можно проще и стоила бы дешевле. Однако реализация этой задачи весьма сложна и трудновыполнима. Поэтому пока стоимость разработки математического обес­

печения АСУ зависит от решения целого ряда задач, свя­

занных с вопросами приближения машинных языков к про­ блемно-ориентированным языкам и использования специ­ альных управляющих процессоров в ЭВМ, которые смогутосуществить в значительной мере работу программы-дис­ петчера в АСУ, составляющей одну из основных частей мате­

матического обеспечения. Разработка проблемно-ориенти­

рованных языков, в отличие от машинно-ориентированных,

позволяет упростить задачи их программирования и авто­ матизации этих процессов. Система автоматизации про­

123

граммирования является одним из важных элементов мате­

матического обеспечения АСУ. Проблемно-ориентирован­ ные языки позволят повысить универсальность внутренних алгоритмических языков современных машин и упростить операции пользования ими при программировании тех или иных задач управления.

Помимо программ, алгоритмических языков в состав ма­ тематического обеспечения АСУ должны входить математи­

ческие модели производственных и технологических про­

цессов, алгоритмы обработки информации, предназначен­

ной для решения задач контроля и управления в системе.

Исследования показывают, что в связи с недостаточностью полной информации по отраслям коммунальных хозяйств для формирования управляющих воздействий на систему для ее восполнения необходимо использовать матема­

тические методы статистического анализа, теории игр

и вероятности. Задачей математического обеспечения яв­ ляется более полная разработка методики уменьшения

избыточности получаемой или рассчитываемой информации,

учитывая ограниченные возможности памяти вычисли­

тельных машин, а также возрастающие требования уско­

рения вычислительных работ на информационно-вычисли­

тельных центрах АСУ, которые нередко основаны на чис­

ленных методах расчета. Разработка алгоритмов контроля

и управления, обеспечивающих возможность оптимизации производственных и технологических процессов в системе, является также одной из сторон комплекса математическо­ го обеспечения АСУ.

Трубопроводные системы коммунальных хозяйств, как будет показано ниже, представляют собой линии с распре­ деленными параметрами, технологические процессы в ко­ торых описываются сложными системами нелинейных диф­ ференциальных уравнений в частных производных, допу­

скающих оптимизацию с учетом использования известного

принципа максимума. Для реализации задачи оптимизации в составе математического обеспечения АСУ должны быть

соответствующие программы и алгоритмы. К ним относятся

программы ввода, компоновки, вывода, контроля и передачи данных, хранения и защиты информации, организации опе­

рационных систем, позволяющих одновременно выполнять

расчеты по нескольким программам. Создание таких про­

грамм-диспетчеров, регулирующих работу вычислительных комплексов АСУ, позволит эффективнее использовать оборудование информационно-вычислительных центров

124

в системе. Они обеспечивают параллельную работу раз­

личных частей системы и позволяют решать на ЭВМ по­

следовательно несколько задач, создавая условия для реа­ лизации в АСУ режимов мультипрограммирования.

В математическое обеспечение АСУ должна входить раз­

работка специальных программ-трансляторов или интер­

но-ориентированные и т. п. Математическое обеспечение

реализует основную задачу АСУ, т. е. управление контро­

лируемой системой на основе анализа состояния комплек­

са на логической математической модели при помощи си­

стемы алгоритмов, определяющих порядок и содержание

действий, логических операций и математических расче­ тов, производимых с целью выработки управляющих воз­

действий на производственные и технологические про­

цессы. Следует отметить, что в настоящее время реализация

этих задач в системах управления различными объектами, предприятиями и подразделениями в отраслях коммуналь­ ных хозяйств осуществляется по-разному, исходя из спе­ цифических особенностей той или иной отрасли, установив­ шихся традиций, уровня подготовки производства и т. п. В этой связи возникает много субъективных и интуитивных факторов, не подтвержденных расчетами, над которыми не­

редко превалирует элемент искусства и интуиции. Учиты­ вая, что в результате функционирования АСУ в системе

принимаются часто весьма ответственные решения, связан­

ные с ходом ее дальнейшего развития на перспективу и боль­

шими капитальными затратами (перспективное или текущее

планирование), создаются условия, повышающие качество управляющих воздействий на комплекс и исключающие из них субъективные факторы, которые являются одной из основных задач реализации математического обеспечения. Создание обобщенной математической модели управления системой, реализующей глобальный функционал управле­ ния комплексом, а также ряда частных математических моде­

лей отдельных элементов управления с локальными функ­

ционалами, основывается на использовании методов иссле­ дования операций.

Теория исследования операций сводится к применению

научно обоснованных приемов для решения таких задач,

реализация которых классическими методами затруднитель­

на. Эта дисциплина обеспечивает построение символических

или физических моделей систем с целью управления или

125

предсказания (прогнозирования) поведения реальных объ­ ектов путем решения задач на их моделях. С теорией ис­ следования операций тесно связаны несколько важных математических дисциплин, имеющих, однако, свои специ­ фические особенности, которые учитываются при разра­ ботке математического обеспечения АСУ. В число этих дис­ циплин в первую очередь входят линейное, нелинейное,

динамическое, геометрическое и эвристическое програм­

мирования. Реализация перечисленных дисциплин в ма­

тематическом обеспечении АСУ имеет своей целью нахож­

дение оптимальных решений задач управления системой, не рассматриваемых в обычном математическом анализе. Эти задачи обычно аналитически выражаются в виде ли­ нейных и нелинейных уравнений с наложенными на них ограничениями. В динамическом и эвристическом программированиях рассматриваются более сложные меняющиеся

соотношения, для анализа которых неприменимы обычные

линейные и нелинейные методы.

При построении математических моделей широко ис­

пользуют и теорию логических цепей, которые представляют

собой вычислительные устройства, построенные из простых

элементов, выполняющих логические или алгебраические

преобразования. Логические цепи являются весьма удоб­

ным средством при построении специализированных мате­

матических моделей различных технологических про­ цессов.

Решение вопросов оптимизации производственных про­

цессов в системе также тесно связано с математическим моде­ лированием — созданием экономико-математических моде­ лей оперативного управления, текущего и перспективного планирования в системе. Экономико-математические модели этих процессов должны обеспечить, как составная часть математического обеспечения АСУ, единую последователь­

ность обработки технико-экономической информации и вы­

работки управляющих воздействий или рекомендаций для принятия решений как по всему комплексу в целом, так и по каждой из входящих в него подсистем. Должны быть

учтены особенности и объемы информации на каждом уров­

не управления производственными процессами в системе,

что должно найти свое отражение в соответствующих

моделях.

Эти особенности и объемы информации в АСУ необходимо анализировать в соответствии с общими принципами обще­ системного анализа применительно ко всем иерархическим

126

уровням контроля и управления всем комплексом. Это оз­

начает, что при построении экономико-математических моде­

лей необходимо учитывать их взаимосвязи и взаимодейст­

вие друг с другом, прежде всего как частей единого процесса управления производством и технологией. Анализ работы

различных отраслей коммунальных хозяйств выявил ряд

общих особенностей, что обусловливает возможность уни­

фикации моделей и применения общих методов математи­

ческого моделирования, которые весьма подробно изложе­

ны ниже.

Математическое моделирование производственных и тех­

нологических процессов в АСУ является принципиально

новым методом анализа и синтеза протекающих в системе

явлений и решения задач управления. При математическом

моделировании описывают аппроксимируемую реальную систему на определенном алгоритмическом языке, которую

и закладывают в модель непрерывного или дискретного дей­

ствия. При этом отпадает необходимость в решении неред­

ко сложных математических зависимостей, описывающих реальные процессы и ситуации, которые возникают в мо­ делируемой системе. .На математической модели можно весьма просто проанализировать поведение контроли­ руемой и управляемой системы в статике или динамике в самых различных ситуациях и условиях, диктуемых или

определяемых задачами управления. Математическое моде­ лирование соединяет классические положения математики с экспериментальной реализацией процессов на моделях. При этом всегда в АСУ можно получить представление о си­ стеме в целом, так как отдельные модели производствен­ ных и технологических процессов всегда будут представлять собой некоторые части комплексной модели. Это дости­

гается путем создания моделей с учетом общей глобальной

задачи функционирования системы, которой и должны соответствовать цели решения задач при моделировании отдельных объектов в подсистемах АСУ коммунальных хо­ зяйств. Построение таких моделей, вообще говоря, является весьма сложным и трудоемким процессом, зависящим от

многих факторов и, в частности, от анализа реальных воз­

мущений, действующих в системе, а также активных сил

стабилизации, противодействующих этим возмущениям.

Для решения задач моделирования требуется исследо­ вание различных отраслей коммунальных хозяйств как

объектов оптимального автоматизированного управления. Данные анализа по отраслям должны послужить базой для

127

дальнейших исследований всего комплекса. Исходным для анализа являются параметры типовых возмущений, дей­

ствующих в системе. К примеру, в производственных от­

раслях коммунальных хозяйств трубопроводного типа раз­

личают два класса возмущающих сигналов: связанные с из­

менением режима работы потребителей по трассам и в ко­

нечных точках трубопроводов, действующие на выходах

системы (сигналы сосредоточенные и распределенные), и

управления, обусловленные работой устройств АСУ и дей­ ствующие во входных точках системы.

При построении математических моделей весьма сущест­

венно исследовать и сравнивать статические и динамические процессы в указанных системах, порождаемые как сигнала­

ми управления, так и сигналами изменяющейся нагрузки потребителей. Аналогичный подход может быть и при нали­ чии других производств или отраслей коммунальных хо­ зяйств, а также при решений задач управления экономи­

ческой деятельностью этими подразделениями. Экономико­

математические модели должны реализовать возможность проведения анализа и синтеза выполнения оптимальных

оперативных, текущих и перспективных планов, производ­

ственных программ и т. п., моментов, связанных с зада­

чей оптимального функционирования предприятий, произ­

водств и целых отраслей коммунальных хозяйств. Особое

внимание необходимо уделить экономико-математическим

моделям перспективного планирования, которые должны

быть использованы в АСУ для анализа состояния и перспек­ тив развития этих отраслей. Следует отметить, что матема­

тическое моделирование в экономике приобретает в пробле­

ме АСУ важное прикладное значение.

Математическое моделирование при решении задач оп­ тимизации технологических процессов в трубопроводных системах коммунальных хозяйств занимает существенное место, поэтому остановимся на этом моменте математи­ ческого обеспечения АСУ более подробнее. К этим задачам

относятся прежде всего вопросы оптимизации технологиче­

ских процессов трубопроводного транспорта горячей и хо­ лодной воды, пара, газа при нестационарных режимах их

потребления; определение режимов максимальной загрузки

трубопроводов ит. п.

Особенно важными являются вопросы оптимизации тех­

нологических нестационарных процессов, освещенных ме­

нее глубоко, по сравнению с аналогичными задачами ста­ ционарного плана. Эти вопросы недостаточно исследованы

128

и освещены в печати. Оптимизация этих режимов может осу­ ществляться по различным критериям, разработка которых

обусловливается различными целями управления. Эксплуа­

тационные режимы работы трубопроводов целесообразно

распределять на квазистационарные и нестационарные.

Первыми процессами необходимо управлять по методам,

стационарных течений. В этой связи можно привести мно­

жество примеров неустановившегося движения газа и жид­

костей в коммунальной трубопроводной сети. Например, при суточном регулировании подачи и потребления режим работы газопровода меняется — больший расход газа днем и меньший ночью. В период изменения режима процесс дви­ жения газа в трубопроводе будет нестационарным. В ка­ честве других примеров нестационарного движения можно

указать гидравлический удар, возникающий при резком

закрытии задвижек в трубопроводах, пульсирующее дви­ жение в трубах жидкостей и газов, перекачиваемых в си­

стеме, и т. п. Работа приборов гидро- и пневмоавтоматики,

широко используемых для решения задач автоматического

регулирования и управления в этой области, также связа­

на с неустановившимся движением жидкостей и газов по

трубопроводам.

Если рассматривать уравнения этих процессов, то при этом следует отметить идентичность математических зави­

симостей нестационарного движения жидкой и газовой сред. Эти процессы описываются достаточно сложными не­ линейными уравнениями в частных производных (парабо­ лического типа, если при выводе уравнений движения не учитываются силы инерции и гиперболического типа при сохранении инерционных членов). Получение решений этих

уравнений в конечном аналитическом виде в большинстве

практически важных случаев не представляется возможным. Трудность решений подобных уравнений существенно воз­

растает при нестационарных неизотермических течениях, что связано с увеличением числа и усложнением вида фор­ мул, необходимостью использования при расчетах экспе­

риментальных, табличных данных, характеризующих реаль­

ные термодинамические свойства газа, и т. п. Это положение

целиком и полностью относится и к нестационарному неизо­

термическому движению несжимаемой жидкости в трубах.

Как уже отмечалось выше, уравнения, описывающие

нестационарные процессы транспорта газа и жидкостей по