Основы информатизации, системной инженерии и технологической независимости АСУ ТП в энергетике. Учебное пособие
.pdfКаждая составляющая части комплекса оказывает влияние на остальные, формируя единую интегрированную инфраструктуру. Основная задача каждой информационной технологии заключается в предоставлении возможности эффективного доступа к необходимой информации в удобной форме.
Особенности динамики развития информационных систем в энергетике:
Изменчивость элементов информационных и управляющих инфраструктур в энергетике порождается непрерывным воздействием внутренних и внешних факторов среды. В результате подобного воздействия возможно нарушение равновесия системы, выходящее за рамки установленных норм и требований. Чтобы восстановить баланс, необходима направленная коррекция поведения отдельных элементов, иными словами, вмешательство управляющего звена.
Основные направления влияния информационных технологий на развитие энергетики:
Современные информационные технологии выполняют ряд важных функций, необходимых для устойчивого развития энергосектора и дальнейшего роста цивилизационного потенциала человечества:
Они стали важнейшим инструментом повышения качества образования будущих профессионалов энергетического профиля. Применение ИТ в образовательных учреждениях повышает доступность качественного учебного материала и ускоряет темпы освоения специальных дисциплин.
Информационные технологии стимулируют научные исследования в области энергетики. Современные методики моделирования и аналитики, основанные на применении инструментов искусственного интеллекта, помогают справляться с трудностями, возникающими при работе с недостаточно полными или недостоверными данными.
Благодаря внедрению ИТ существенно возрастает эффективность эксплуатации стратегических информационных активов предприятий энергетического сектора.
Оптимизация информационных процессов, обеспечиваемая современными технологиями, положительно сказывается на производительности объектов энергетики, позволяя повысить производительность труда и сократить издержки производства.
Возможность быстрого распространения информации между участниками производственного процесса открывает новые горизонты для расширения международного сотрудничества и преодоления трудностей, вызванных процессом глобализации.
Важнейшей задачей является создание эффективных механизмов предотвращения аварийных ситуаций и минимизации последствий природных катастроф. Прогрессивные технологии мониторинга и прогнозирования способны предотвратить потенциальные риски.
11
ИТ служат основой для автоматизации и интеллектуальной поддержки практически всех аспектов производственной деятельности в энергетике.
Значительное внимание уделяется совершенствованию способов сбора, хранения, обработки и оптимального использования информации. Повышение эффективности информационных операций ведет к улучшению качества принимаемых управленческих решений и ускоренному развитию отраслей экономики.
Применение указанных направлений способно значительно усилить
потенциал современной энергетики, способствуя решению текущих задач и созданию перспективных моделей устойчивого развития.
12
2. СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И АРХИВИРОВАНИЯ ДАННЫХ
Система представляет собой совокупность взаимозависимых элементов, формирующих целостную структуру и функционирующую согласованно для достижения общей цели.
Система управления определяется как объединение управляемого объекта (или просто объекта) и управляющего устройства.
Объект управления может быть как отдельным техническим устройством, так и сложной системой управления глобальными экономическими и технологическими процессами. Важно отметить, что подобные системы обладают иерархической структурой: более сложная система управления включает в себя управляемые ею менее сложные системы и подсистемы.
Управляющее устройство, или управляющий объект, отвечает за анализ поступающей информации и выработку соответствующих воздействий на объекты управления.
Управление процессами в информационно-управляющих структурах энергоустановок осуществляется поэтапно:
Первоначально объекты контроля и окружающая среда передают управляющей структуре сведения о собственном функционировании.
Затем система осуществляет обработку поступившей информации, формирует управляющее воздействие на объект, адаптируется к изменениям окружающей среды и, при необходимости, проводит модификацию собственной структуры, включая целевые установки.
Методология формирования информационных массивов включает использование определенных способов и технических инструментов, зависящих от вида накапливаемой информации и выбранных подходов к её извлечению. После завершения стадии накопления данных, информация преобразуется в вид, удобный для последующего занесения в базу данных.
Формирование качественной первоначальной информации относится к числу ключевых стадий, определяющих успешность последующих процессов обработки. Эффективность итогового результата функционирования информационно-управляющей системы находится в прямой зависимости от четкости поставленных целей сбора данных и избранных методов их последующей обработки.
Завершающим этапом сбора данных становится интеграция накопленной информации в единое хранилище для осуществления функций её сохранения, обновления и поддержки актуальности базы данных, необходимой для реализации различного рода задач в рамках функционирования контролируемого объекта. Хранящиеся сведения должны обеспечивать возможность оперативного обращения пользователей для извлечения, визуализации, передачи либо переработки запрашиваемых данных.
13
Оптимизация эффективности сбора данных обеспечивается благодаря соблюдению принципов полноты и минимальной избыточности сохраняемой информации. Это предполагает осуществление предварительной фильтрации данных, оценивания их значимости, а также проведение классификации имеющихся сведений на входные, промежуточные и результирующие.
Под данными понимается формализованная форма информации, подготовленная для компьютерного анализа. В информационных и управляющих системах энергообъектов выделяются три категории данных:
Входные данные формируются на основании первичной информации и характеризуют предмет изучения. Они подлежат обязательному сохранению.
Выходные данные образуются вследствие обработки входных данных по установленному алгоритму. Этот класс данных служит основанием для выработки управленческих решений и подлежит хранению в предусмотренном порядке.
Промежуточные данные возникают в процессе трансформации и вычислений иных данных и зачастую не нуждаются в длительном
хранении.
Перед началом процесса сбора данных важно предварительно выбрать технические устройства, способствующие ускоренному и качественному формированию массива информации, а также поддерживающие операции ввода и представления данных в электронном виде.
Информационно-управляющие системы энергокомплексов оснащаются специализированными агрегатами, состоящими из программного и аппаратного оборудования, предназначенного для перевода внекомпьютерной информации в электронный формат, позволяющий далее эффективно использовать её в рамках единой системы. Интенсивное развитие указанных систем вызвало появление широкого спектра технических устройств, позволяющих вести сбор информации вручную или автоматически прямо от первоисточника либо через посреднические звенья. Выбор конкретного технического инструмента определяется видом обрабатываемой информации и целями её дальнейшего использования.
Технические инструменты, применяемые для сбора разнотипных данных в информационно-управляющих системах энергосектора, различаются следующим образом:
В производственных системах широко используются специализированные измерительные устройства, такие как автоматические сенсоры для измерения объёмов, давления, температурных режимов, уровня влажности, аппаратура распознавания знаков и меток, сканирующие устройства штрих-кодирования, системы
14
фиксирования изображений.
Регистрация аудиосигнала выполняется преимущественно с использованием диктофонных приборов и микрофонов. Иногда привлекаются акустические сенсоры, программное обеспечение голосового распознавания и аппаратура для приема радиоэфиров.
Наладка технологического, текстового и графического информирования, а равно и подбор альтернативных предложений, осуществляемых системой, реализуются при помощи датчиков (фиксирующих температуру, давление, расход веществ и проч.), клавиатурных интерфейсов, периферийных приспособлений (таких как мышь, трекбол, стилус), считывающих аппаратов, графических планшетов, сенсорных экранов и дисплеев.
Фиксирование видеоданных выполняется при содействии видеокамер, фотокамер и устройств для видеозаписи телевидения.
Разрабатывая проект метода сбора данных для исследовательского проекта в энергетической отрасли, после подбора необходимых технических средств важно детально организовать сам процесс сбора данных. Эта процедура именуется планом сбора данных и проходит несколько ступеней:
Глубокий анализ специфики изучаемой сферы. Для полного погружения в проблематику проводятся беседы с профессионалами, обзоры специальной литературы и коллективные дискуссии.
Формулировка проблемного поля и определение целевой направленности. Здесь задаётся задача, подлежащая решению, и устанавливается главная цель сбора данных.
Выстраивание концептуальных основ сбора данных. Исходя из выдвигаемых предположений и их эмпирической проверки выявляют причинно-следственные соотношения, формируя таким образом теоретико-методологические основы сбора данных.
Этап детализированного планирования. Фиксируется перечень возможных источников информации: вторичной (ранее зафиксированной) или первичной (новой).
Подготовка плана мероприятий по сбору первичной информации. Конкретизируют способ организации поступления данных.
Непосредственный сбор и внесение первичных данных.
Выбор соответствующих источников и организация сбора вторичных данных.
Оценка качества вторичных данных. Осуществляется проверка их современности, точности, полноты и возможности последующего анализа.
Аналитическая работа с обработанными данными.
Оформление выводов. Итоговая информация представляется в письменном отчёте, сохраняется в базах данных и направляется для дальнейшего анализа.
15
Использование индустриальных технологий автоматического сбора информации для нужд идентификации в электроэнергетике заключается в применении техники, позволяющей оперативно зафиксировать и передать информацию в процессорное устройство (персональный компьютер или промышленный контроллер) без привлечения клавиатурного набора. Такой подход носит название технологии автоматической идентификации и применяется для сокращения числа ошибок при сборе данных и ускорения самого процесса, позволяя одновременно определять и отслеживать объекты, записывать большие объёмы информации.
Автоматическая идентификация охватывает пять основных направлений технологий, решающих широкий спектр задач по автоматизации сбора данных:
Средства коммуникации для обмена данными (Data Communication Technology).
Картографические технологии (Card Technology).
Штрихкодирование (Barcode Technology).
Радиочастотные методы идентификации (Radio-Frequency Identification RFID Technology).
Инновационные направления, такие как оптическое и магнитное распознавание символов, биометрия, включая распознавание голоса, лица (Face ID) и прочие подобные технологии.
Энергетика располагает разнообразием методов сбора данных, различающихся по своим задачам, сферам применения и техническим возможностям:
1.Информационно-управляющие системы технологических процессов предприятий энергетики:
Основу составляют автоматизированные технологии идентификации и сбора данных.
2.Экономические информационные системы (например, маркетинговые исследования в энергетике):
Методы опроса: массовые, персональные, телефонные анкеты, формализованное и свободное интервьюирование.
Наблюдательные методы: регулярное и целенаправленное отслеживание активности субъектов и объектов.
Экспериментальные приёмы: выявление связей между переменными путём исключения посторонних факторов.
Панельное обследование: многократный сбор информации от той же группы участников в определённые промежутки времени.
Метод экспертных заключений: привлечение профессиональных мнений компетентных специалистов.
3. Статистические информационные системы:
Привлечение первичных учётных документов.
Применение специально разработанных бланков и шаблонов для систематизации данных.
16
Процесс аккумулирования и трансформации информации в современных организациях энергетического сектора.
4. В геоинформационных системах:
Получение информации из нормативных и методологических документов.
Накопление пространственных (географически привязанных и атрибутивных) данных.
Постоянный мониторинг информационных потоков с научноисследовательских судов и атомных ледоколов Северного морского пути, прибрежных станций и плавучих маркеров в режиме реального времени и с временной задержкой.
Прием данных по каналам дистанционного доступа.
Вусловиях современного развития информационных технологий своевременное преобразование информации в цифровой формат стало критичным фактором успешной деятельности каждой организации. Следовательно, создание условий для надежной сохранности этих данных
ибыстрого доступа к ним для последующей обработки превращается в одну из важнейших задач любого учреждения.
Принципы хранения данных:
Хранение данных предполагает организацию и обслуживание структуры размещения данных в оперативной памяти компьютера. Несмотря на достижения в области информационных технологий, универсальный подход к созданию систем хранения данных, подходящий для всех организаций, пока не разработан. Решение данной задачи имеет уникальный характер для каждого отдельного случая. Однако существуют общие критерии, которым должна соответствовать современная инфраструктура хранения данных:
Независимость от прикладных программ, работающих с этими данными.
Полноценность и минимальное количество дублирующихся элементов.
Возможность обновлять данные (добавлять новые значения или изменять существующие).
Наличие механизмов поиска, сортировки и извлечения данных по определенным условиям.
Среди распространенных схем хранения выделяют базы данных и банки данных:
База данных (БД) представляют собой упорядоченную коллекцию связанной информации, отражающую состояние конкретной предметной области реальной действительности и предназначенную для общего пользования и разрешения задач различными пользователями. Реализация БД предусматривает комплекс мер,
объединяющих технические, информационные, программные, организационные и языковые элементы, обеспечивающие процессы накопления, хранения, поиска и обработки данных объектов
17
энергетики.
Банк данных выступает универсальной формой базы данных, доступной для использования любыми прикладными программами совместно с соответствующими средствами программного обеспечения. В банке данных СУБД играют ключевую роль, обеспечивая взаимодействие с данными, формирование сводных и детализированных отчетов, а также анализ данных с помощью запросов. Среди популярных систем управления базами данных можно назвать: Borland Paradox, Microsoft Access, Microsoft Visual FoxPro,
Lotus Approach, Borland dBase. В клиент-серверных архитектурах активно применяют Microsoft SQL Server и Oracle.
Дополнительно к базам и банкам данных важную роль в инфраструктуре современных энергетических компаний выполняют хранилища данных, которые состоят из следующих функциональных компонентов:
Стандартизация сбора и выгрузки данных: Единая схема сбора данных и процедуры экспортирования на стороне источника обеспечивают согласованность данных из различных систем и распределяют ответственность за подготовку данных среди специалистов, знакомых с внутренней структурой данных своей системы.
Сбор данных из внешних источников: Технологии интеграции данных из внешних источников и территориально удалённых филиалов существенно расширяют кругоступень доступности данных.
Информационная модель: Инструментальная поддержка информационной модели, охватывающей все виды данных, необходимые для эффективной работы организации, обеспечивает целостность и качество хранящихся данных.
Метаданные: Хранилище метаданных, содержащее описания структуры хранилища и доступное как внутренним, так и внешним приложениям, повышает гибкость и прозрачность работы с хранилищем.
Механизмы объединения и оценки: Алгоритмы агрегирования данных и аналитических показателей строятся на основе подробных сведений, находящихся в хранилище, и выполняются с применением технологий многоуровневой организации данных или встроенных средств программирования. Эти механизмы позволяют получать сводные данные и оценивать важные показатели.
Пользовательские интерфейсы: Интерфейсы, предлагаемые пользователям, способствуют выполнению сотрудниками различных задач, включая управление системой, разработку приложений, обеспечение технической поддержки хранилища, выполнение запросов и анализ данных. Деление полномочий повышает удобство и производительность работы с хранилищем.
18
ETL-процессы: Операции ETL (извлечение, трансформация, загрузка) предназначены для переноса данных из других баз данных, их преобразования согласно установленным правилам и помещения в хранилище. Обычно они характерны для специализированных систем и помогают обеспечить централизованное хранение данных.
Запросы к данным: Реализуемые механизмы выполнения запросов позволяют генерировать любые запросы и строить требуемые индексы, обеспечивая гибкость и свободу доступа к данным.
Формирование отчетов: Средства составления отчетов создают удобные для чтения итоги работы хранилища, включая стандартные, аналитические и настроенные пользователем отчёты. Это упрощает представление данных в нужном формате.
Каждая система хранения данных энергетических объектов обязана
учитывать необходимость регулярного резервного копирования, архивации, структурирования и быстрой восстановимости данных. Для выполнения этих задач полезно применять поэлементный анализ файлов, учитывая такие параметры, как дата создания, изменений и последнего доступа, тип файла, местоположение в файловой системе и прочее. Рассмотрим подробнее указанные процессы:
Создание архивных копий: Процесс создания копий файлов для их долговременного или постоянного хранения на особых носителях. Возможны варианты полного, инкрементального и дифференциального архивирования, хотя оно используется реже, чем обычное резервное копирование.
Регулярное резервное копирование: Данная операция направлена на защиту файлов и создаёт их копии для экстренного восстановления системы после сбоя. Эти копии сохраняются на резервных носителях в течение определённого времени, после чего заменяются новыми версиями. Аналогично архивному, резервное копирование может проводиться в полном, инкрементальном и дифференциальном форматах.
Полное резервное копирование: Включает создание копий всех файлов, нуждающихся в защите. Преимуществом является высокая скорость восстановления после инцидента, недостатком — большая продолжительность самой процедуры.
Инкрементальное резервное копирование: Сохраняет только файлы,
которые были изменены или созданы после предыдущей полной, дифференциальной или инкрементальной операции. Хотя этот метод быстрее, восстановление потребует наличия последней полной копии и всех последующих инкрементальных записей, что увеличивает длительность процесса.
Дифференциальное резервное копирование: Фиксирует только файлы, изменившиеся или созданные после последнего полного резервного копирования. Восстановление происходит быстрее, так как
19
необходимы только последняя полная и последняя дифференциальная копии.
Иерархическое хранение: Методика улучшает управление редкими данными и организует запоминающие устройства в иерархию уровней, начиная с жестких дисков и заканчивая съемными устройствами, соединёнными в общий виртуальный диск. Перенос файлов между уровнями помогает поддерживать нужное пространство на серверных
дисках.
На практике в энергетике нередко совмещают различные методы резервного копирования, используя комбинации полного (например, еженедельного) и инкрементального (например, ежедневного) резервирования.
20