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

производства. Под необходимым объемом информации пони­

мается определение действительно необходимого состава

первичной информации, поступающей от производствен­

ных и технологических объектов, и способа передачи ин­ формации о каждом контролируемом параметре.

Действительно, необходимый состав первичной инфор­

мации может быть определен при анализе существующей

организации системы передачи сообщений. При этом ис­ пользуются существующие формы передачи сведений, устра­

няются параллельные каналы передачи информации в один

и тот же пункт приема; ликвидируются каналы,,на прием­

ных пунктах которых накапливается «бросовая» информа­

ция, не использующаяся в дальнейшем, а также необосно­

ванно организованные пункты ретрансляции информации.

Такой анализ позволит; классифицировать каналы пере­

дачи данных по типу передаваемой информации: сеть сбора

первичной производственно-технологической информации

с частотой опроса параметров, устанавливаемой методами

математической статистики (здесь применима обычная си­ стема телеизмерений и телесигнализации); каналы переда­

чи учетной информации по технологическому процессу (то­

варные операции) ежедневно или же в любой момент вре­

мени (в этом случае необходимы печатные бланки с приме­

нением простейшей системы телетайпа); каналы передачи

отчетной информации с частотой не чаще одного раза в месяц (квартал, год). Целесообразно не строить никаких специаль­

ных каналов, а выделить для подобных целей какой-либо

доступный вид транспорта, который обеспечит доставку этой информации. В двух последних подпунктах необходимо отме­ тить возможность использования телефонной сети, устано­ вить необходимое наличие средств вычислительной техники для переработки первичной информации. Основным видом операции обработки первичной информации здесь является

интегрирование (суммирование); унификация систем доку­

ментов (форма передачи данных) и регистрация информации для нужд АСУ производственными и технологическими про­ цессами в отраслях коммунальных хозяйств; устранение ненужных.промежуточных пунктов ретрансляции информа­ ции; выявление необходимых параметров, функциониру­

ющих в информационной сети и каналах АСУ, а также их

характеристики. Так формируют состав первичной опе­

ративной и производственно-статистической информации. Первая включает ежедневные сообщения сведений, необхо­ димых для управления производственными и технологи­

70

ческими процессами в системе. Отметим, что отчетная до­ кументация выполняется в основном в суммарных или сред­

них значениях оценок параметров. Контролируемые пара­ метры, данные о которых циркулируют в информационной

сети АСУ, можно подразделить на два основных класса:

параметры, которые контролируются для получения с не­ обходимой точностью средних или суммарных значений

(расходы горячей и холодной воды, газа, электроэнергии

ит. п.), и параметры, контролируемые для получения мгно­

венных значений того или иного сообщения во времени (на­ пример, давления, температуры, влажности воздуха, силы

тока, напряжения тока и т. п.). При построении информа­

ционной сети наиболее важным вопросом является определе­

ние необходимых объемов информации по средним, суммар­

ным или мгновенным показателям для формирования опера­

тивных или производственно-статистических данных.

Способ передачи информации зависит от характеристик

ипринадлежности параметров к тому или иному классу,

который определяется при анализе сообщений по отчетным

документам различных объектов, подразделений и служб

коммунального хозяйства. Основным способом контроля параметров первого класса является выборочное наблюде­

ние. При невозможности осуществить независимые измере­

ния результаты выборочного метода корректируются рас­

четом случайных функций изменения параметров.

Отчетная документация по объектам коммунального хо­

зяйства обычно не содержит непрерывной регистрации данных. Цель контроля параметров второго класса состоит только в регистрации факта их отклонения за установленные пределы. Решение этой задачи позволит определить ос­

новные требования к разработке системы телесигнализации состояний контролируемых объектов. Указанная проблема может быть решена в рамках корреляционной теории. Р а­

нее исследованиями было показано, что рассматриваемые

функции случайного характера являются стационарными,

нормальными и обладают свойствами эргодичности. Поэто­

му вполне обосновано использование при анализе только таких оценок, как математическое ожидание или корреля­

ционная функция контролируемого и управляемого про­

цесса. Для расчета таких процессов с применением этих оценок необходимо располагать определяющим статистиче­

ским материалом, который должен удовлетворять необходи­

мым требованиям, чтобы применять его в этих исследовав нцях. В частности, требуется определить возможность ис­

71

пользования сведений, хранящихся в архивах, или необ­ ходимость специальных измерений, которые при сборе статистического материала должны быть произведены с до­ статочной точностью и рациональным интервалом между

замерами.

При измерении любого параметра необходимо по харак­ теру изменения функции выбирать способ измерения, кото­ рый может быть различным на разных этапах эксплуатации

системы. Так, нормальный статистический контроль в ре­

жимах недогрузки системы можно осуществлять при помо­

щи выборочных наблюдений, а в периоды напряженной ра­

боты системы (например, зимой), когда требуются более

точные знания тех или иных значений параметров, ста­

новится необходимым либо применение интерполяции с ма­

лым интервалом между узлами, либо, в крайнем случае,

переход к непрерывным измерениям. При измерении изме­

няющихся функций для удовлетворения требования зна­

чительной статистической точности имеет смысл экстрапо­ ляция значений функции на необходимый период.

Методы экстраполяции статистических измерений и контроль производственных и технологических процессов позволяют удовлетворить предъявляемые требования и ра­ ционально организовать информационную сеть АСУ с ми­ нимальными затратами всех видов средств. Рассматривая работу трубопроводных систем коммунальных хозяйств,

следует, отнести их к вероятностным, так как в них нельзя сделать детального и точного предсказания вследствие спе­ цифических особенностей их работы. Такие системы, однако, можно тщательно проанализировать с вероятностных пози­ ций и установить с большой точностью их поведение в любых

заданных условиях. Но АСУ при этом остается все-таки

неопределенной, и любое, предсказание относительно ее поведения никогда не может выйти за логические рамки ве­ роятностных категорий, при помощи которых это поведе­ ние описывается.

Таким образом, информационная система поиска, сбора, передачи и обработки показателей производственных и тех­ нологических процессов в АСУ трубопроводных хозяйств

должна охватывать все уровни управления и обмен информа­

цией между различными объектами, службами и подразделе­ ниями комплексов, а также между основным и вспомога­ тельными производствами. Информационная система АСУ

должна строиться на принципе разумной децентрализации передачи сведений в информационно-вычислительные цент-

П

ры сбора и обработки данных передаваемых сообщений.

В информационно-вычислительных центрах вырабатывают­

ся управляющие воздействия и рекомендации о принятиях

решений в системе, а также обрабатываются материалы ста­ тистической отчетности и другие данные о функциониро­ вании АСУ. Для первичной обработки информации, посту­ пающей на информационно-вычислительные центры, не­

обходимо разумное внедрение вычислительных устройств

и сохранение экономически обоснованных работ по обработ­ ке сообщений вручную. Надежная схема сбора, передачи и обработки информации в АСУ трубопроводных хозяйств

позволит значительно сократить расходы по эксплуатации

автоматизированной системы управления в целом.

§ 2. СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Рассматривая различные отрасли коммунальных хо­

зяйств как объекты машинного контроля и управления с по­

мощью методов теорий исследования операций, теории ин­ формации и математического моделирования, необходимо

разработать оптимальные структурные модели информа­

ционных систем сбора, передачи, обработки и выдачи ин­ формации, реализовать задачу построения и анализа моде­ лей информационных потоков и выработки решений по регу­ лирующим воздействиям с целью повышения эффективности

функционирования АСУ в целом. Иначе говоря, речь идет

о разработке в конечном итоге информационной модели уп­

равления производственными и технологическими процес­

сами коммунальных хозяйств в комплексе и частных моде­ лей по отдельным предприятиям, объектам и уровням этого управления. В процессе разработки обычно рассматривают­ ся различные варианты этих моделей и выбираются такие, от которых ожидается получение практических рекоменда­ ций по улучшению процессов анализа и синтеза отдельных

частей информационного обеспечения АСУ, унификации

и разумного сокращения отчетной документации, упорядо­

чения потоков информации, сокращения излишних линий

связи, оптимизации структуры информационных каналов и сообщений. Кроме того, разработанные информационные модели, представляющие собой технологические линии сбо­

ра, передачи, обработки и выдачи информации, должны

в дальнейшем явиться исходным положением к обоснованию

73

применения на различных уровнях управления средств вы­ числительной техники, что и обеспечит в результате авто­

матизацию процесса управления системой.

Информационные модели строятся на основании анализа

минимизированных потоков информации, изучения информа­

ционных характеристик элементов и связей между послед­

ними. Здесь возникают задачи разработки специальных ме­

тодов и алгоритмов переработки информации, алгоритмов

и программ для нахождения оптимальных решений, а также

технических средств реализации сбора, передачи, перера­

ботки информации и формирования управляющих воздей­ ствий на систему. Все это тесно связано с выбором структуры информационной системы. В настоящее время определение этой категории при разработке АСУ носит часто волюнта­ ристский характер, что нередко приводит к ошибкам, не­ оправданным стремлениям к излишней централизации или

децентрализации структуры. Этого можно избежать, разра­

ботав математические основы анализа и синтеза этих струк­ тур, единые критерии и обоснования, подводя под них коли­

чественные, вероятностные оценки. Как показывают опыт

и- исследования в этой области, разработка и создание ин­

формационных моделей является сложным и длительным

процессом, требует выполнения определенного комплекса

подготовительных, научных и организационных работ как

на стадии исследований, так и на стадии проектирования

и внедрения. Кроме разработки самих информационных моделей, должны быть созданы и внедрены шифры и коды

производственной итехнологической информации, осуществ­

лена механизация постоянно действующих картотек с нор­ мативными и другими показателями и проведены другие

подготовительные работы.

Проектирование и создание систем информационных мо­ делей должно начинаться с исследования содержания и взаимосвязи управленческих функций, состава, потоков, пе­

риодичности и объемов информации по контролю и управле­

нию комплексом. В результате этой работы и должна быть построена функциональная информационная модель систе­ мы, а также подробные частные модели каждого ее элемен­

та. Эти модели должны определять характер, производст­

венную и технологическую взаимосвязь и последователь­

ность всех выполняемых операций контроля и управления

в системе, потоков информации, логических схем и алгорит­

мов обработки последней, выработки и принятия решений по управляющим воздействиям; обеспечивать улучшение ка-

74

чества процессов управления и создавать условия для пол­ ной автоматизации этих процессов. Главной задачей такой

модели является обеспечение необходимой и достаточной информацией непрерывности процесса управления функцио­

нированием различных отраслей коммунальных хозяйств.

Следовательно, сйстема организации управления не может

быть здесь правильно построена без анализа и разработки информационной модели системы. Поэтому исследование

и описание потоков информации в отраслях коммунальных

хозяйств является первоочередной задачей на пути разра­

ботки АСУ. Эти потоки информации возникают в отдельных

элементах системы, формируются и распределяются в соот­

ветствии с функциональными связями, предопределяя тем

самым внутреннюю структуру процесса контроля и управ­ ления. В настоящее время методы исследования, описания, а также классификации потоков информации в АСУ в ка­

кой-то мере разработаны и описаны. Создание подобных ме­

тодик вызвано расширением работ по разработке и внедре­ нию в народное хозяйство страны средств вычислительной техники и АСУ. Изучение потоков информации и разра­ ботка соответствующих информационных моделей имеют своей конечной целью унификацию и оптимизацию этих потоков для приведения их в соответствие с требованиями

задач управления и контроля, а также выявления излиш­

них структурных подразделений и информационных направ­

лений. Для выполнения этих задач необходимо определить:

ческими процессами; куда направляются основные потоки информации, циркулирующей между этими подразделения­ ми; что является содержанием передаваемой информа­ ции — перечень основных параметров и показателей, необ­ ходимых для контроля, анализа и управления производ­ ственными и технологическими процессами.

На основе этих исходных данных можно построить при­

ближенную функциональную модель контроля и управления системы, осуществить ее анализ с целью ответа на вопросы:

насколько передаваемая и получаемая информация необ­

ходима и достаточна для выполнения своих функций каж­ дым подразделением; нет ли излишних промежуточных ин­

станций, направлений и передаваемой информации, кото­

рые можно было бы упразднить; насколько в целом система

передачи информации удовлетворяет требованиям контро­

75

ля и управления в системе; выявление путей возможности информационной оптимизации сообщений. Какая же раз­ ница между существующей информационной сетью и функ­ циональной информационной моделью системы?

Информационная сеть — это логическая взаимосвязь всех существующих в системе источников и приемников информации, направленная на достижение конкретной цели,

характеризуемая своей структурой и поведением. Структу­

ра информационной сети зависит от топографии располо­

жения объектов и предприятий коммунального хозяйства,

технических характеристик компонентов структуры, тех­ нических требований и ограничений, регламентирующих ра­ боту сети.

Функциональная информационная модель представляет собой взаимосвязи всех источников информации в виде ста­ тистических и детерминированных закономерностей, необ­

ходимых для формирования целей и критериев эффектив­

ности функционирования информационной сети. Модель

может представлять собой совокупность систем уравнений,

описывающих внутренние явления и связи в системе; граф,

характеризующих последовательность операций, и взаимо­

связи между ними; таблиц, содержащих информацию о свой­

ствах, отображающих количественные и качественные сто­

роны потоков .информации и характер ее переработки; мат­ риц, элементы которых характеризуют соответствующие свя­

зи между подразделениями и объектами в системе, и т. п. Обычно функциональные информационные модели управ­ ления большими системами, к которым с успехом можно

отнести и комплексы коммунальных хозяйств, стараются

строить по принципу централизации, когда вся информация передается в ГИВЦ, где она перерабатывается и оцени­

вается, а также формируются обратные управляющие воз­

действия. Следует отметить, что централизованное автома­ тизированное управление такими сложными комплексами, как отдельные отрасли коммунальных хозяйств городов и населенных пунктов, встречает значительные трудности. Поэтому и вводится отмеченная выше децентрализация,

наиболее соответствующая требованиям настоящего вре­

мени — децентрализованному контролю и управлению та­

кими системами.

В процессе функционирования системы между управ­

ляющими и управляемыми объектами происходит все время

обмен информацией. Предполагая, что внутренняя струк­

тура подразделений недоступна для наблюдения, можно

76

рассмотреть систему на основании анализа входных и вы­ ходных сообщений.

Подобный метод структурного построения информа­

ционной модели системы в кибернетике называют методом «черного ящика». Этим методом исследуют системы, в кото­ рых анализируются вопросы взаимосвязи между частями

или подсистемами, определяется содержание передаваемой

информации, исходящей от одних подразделений, способы приема ее другими подразделениями и т. п.

Существуют различные методы децентрализации инфор­

мационных систем контроля’и управления для определен­ ного класса больших систем, к которым можно отнести и от­

расли коммунальных хозяйств. Рассмотрим один из них, предложенный Л. С. Ласдоном и Я. Д. Шоефлером. Этот метод имеет положительную особенность, так как сохраняет

преимущества централизованного контроля и управления

в том смысле, что практически любые характеристики систе­

мы могут быть оптимизированы. В этом случае вся система

коммунального хозяйства, включающая в себя объекты

различных отраслей и нескольких уровней контроля и уп­

равления, расчленяется на подсистемы со своими ИВЦП

иРИВЦ, каждая из которых имеет свою систему контроля

иуправления, основанную на присущем ей характеристи­ ческом критерии цели. Этими подсистемами управляет под­ разделение более высокого уровня —ГИВЦ. Здесь отпадает

необходимость всю систему рассматривать в целом, а можно произвести анализ по подсистемам, что заметно упрощает все исследование.

Втаких системах управления на каждом уровне имеются

обычно специализированные вычислительные устройства цифрового типа, а на высшем уровне — управляющая элек­

тронная цифровая вычислительная машина (УЦВМ). Ие­

рархия системы и модели вычислительных устройств, при­ меняемых здесь, должны предусматривать возможность дальнейшего развития системы, т. е. стыковку с любой уп­ равляющей машиной более высокого уровня. Центральная управляющая машина контролирует и координирует работу

специализированных машин подсистем и должна осуществ­

лять оптимизацию производственных и технологических

процессов в системе в целом на основе информационной мо­ дели передачи и приема информации по иерархии между

ееобъектами и подразделениями.

Втаких структурах многоуровневого контроля и управ­ ления, характеризуемых обобщенными параметрами, резко

77

упрощаются операции программирования и перепрограмми­ рования, так как вычисления, связанные с решением задач

оптимизации, распределяются между вычислительными ма­

шинами всех уровней. В связи с тем, что в системах комму­

нальных хозяйств, по всей видимости, еще долгое время

будет существовать двухуровневая иерархия контроля и

управления, рассмотрим алгоритм децентрализованного управления применительно к этому случаю. Для упроще­

ния полагаем, что каждая подсистема оптимизируется от­

дельно от Есех других, причем в соответствии с ее собствен­

ным критерием качества. При этом УЦВМ должна осуществ­

лять такую координацию работы дочерних машин в под­

системах контроля и управления, чтобы общий критерий

качества всей системы был бы в целом оптимальным.

Предположим вначале, что подсистемы связаны произ­ вольным образом, причем допускается любая комбинация

прямых и каскадных информационных связей между ними в иерархической пирамиде. В этом общем случае типовая подсистема может быть изображена схемой рис. 14. Здесь

вектор L i заключает в себя все выходные координаты i-и

подсистемы, связанные с другими подсистемами, вектор

Y i — все выходные координаты, связанные с УЦВМ, век­

тор M i — все входные координаты от УЦВМ. Вектор X t

отражает все . входные возмущения от других подсистем,

вектор D i — возмущения, изменяющие показатели качест­

ва в подсистеме. Полагаем, что возмущения являются сту­ пенчатыми функциями и могут быть определены. Это по­ зволяет рассмотреть процесс динамической оптимизации подсистемы как смену оптимальных статических состояний, что резко упрощает анализ поставленной задачи. При этом статическое поведение подсистемы может быть описано с помощью векторов выходных координат, которые пред­

ставляются в виде функции соответствующих входов, воз­

мущений и управляющих воздействий:

где Ti и S i — векторы, компонентами которых являются непрерыв­ но дифференцируемые функции переменных M t, X i и D i .

Учитывая, что каждый выход подсистемы является вхо­

дом для другой, справедливо следующее уравнение связи:

n

(2.3)

78

где C i j — коэффициент связи, а матрицы связи имеют элементы, представляющие собой единицы и нули.

Функция критерия качества может быть принята в та­

ком виде:

причем эта функция будет максимизироваться путем подбо­

ра соответствующих управляющих воздействий на подси­

стему Mi. Выбор векторов M t зависит от ограничений:

где H i — некоторый вектор.

Максимизация, относящаяся к задачам группирования,

заключается в выборе в каждый момент времени такого зна­ чения (возмущения при этом измеряются и фиксируются)

управляющих воздействий M it чтобы функция цели F при­ нимала максимальную величину.^ Решение этой основной задачи в децентрализованной системе находят следующим образом-. Опустим пока уравнение (2.5). В соответствии с принципом децентрализации разорвем связи между под­ системами. В этом случае поведение каждой подсистемы

следует рассматривать под действием независимых пере­

менных X *. Учитывая, что при постоянных возмущениях t-й член функции (2.4) зависит только от своих независимых

переменных, векторы М, и X, можно отнести лишь к этой подсистеме. Для получения оптимального решения, очевид­ но, необходимо объединить уравнения (2.1)—(2.4), введя

лагранжиан:

79