Основы информатизации, системной инженерии и технологической независимости АСУ ТП в энергетике. Учебное пособие
.pdf3. ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ В ЭНЕРГЕТИКЕ: ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АСПЕКТ
Обработка информации представляет собой комплекс последовательно связанных технологий, ориентированных на сбор, преобразование, сохранение, анализ и предоставление данных.
Технологическая цепочка обработки информации является жестко организованной процедурой, предусматривающей строгую последовательность шагов, начинающихся с момента появления начальных данных и заканчивающихся достижением поставленного результата.
Основной целью данного процесса является автоматизация обработки начальной информации с привлечением технических средств базовых информационных технологий. Это позволяет снизить расходы на рабочую силу и материальные ресурсы, а также обеспечить высокий уровень точности данных.
Конкретный порядок действий по обработке информации разрабатывается индивидуально для каждой задачи в пределах отдельной предметной области. Алгоритм процедуры формируется исходя из ряда факторов, таких как:
Количество пользователей.
Используемые контрольные системы.
Сложность выполняемых задач.
Установленные сроки обработки данных.
Тип и мощность используемых технических средств.
Программные алгоритмы обработки информации.
Врезультате стремительного роста цифровых технологий, в частности микропроцессорных устройств, возникло понимание важности введения чёткого определения термина «традиционная технология».
До недавнего времени каждая область знания имела собственные уникальные методы обработки информации. Однако широкое распространение цифровой микроэлектроники повлекло возникновение нового подхода к преобразованию исходных данных в конечные результаты. В связи с этим потребовалось ввести классификацию технологий обработки информации:
Базовая информационная технология – Это комплект аппаратных средств, необходимых для манипуляции, передачи и коммутации данных. Так как информационные технологии отличаются многообразием в различных дисциплинах и компьютерных средах, принято выделять две категории: базовые (обеспечивающие) и предметные (функциональные) информационные технологии.
Предметная технология описывает пошаговую схему
преобразования начального материала из определённой предметной области в искомый результат, независимый от присутствия
21
компьютеров и информационных технологий. Необходимо помнить, что сама концепция информационной технологии неразрывно связана с технической (компьютерной) средой, то есть с базовой информационной технологией.
Обеспечивающая информационная технология охватывает универсальные методы обработки информации, применимые в различных предметных областях для решения многих задач в энергетике. Поскольку существует большое число разнородных вычислительных платформ, обеспечивающие технологии часто основаны на несопоставимых платформах, что вызывает трудности при их интеграции. Для преодоления этих трудностей в рамках предметной технологии требуется стандартизация взаимодействий различных информационных технологий через интерфейс общего стандарта.
Функциональная информационная технология представляет собой адаптированную версию обеспечивающих технологий, воплощённую в готовое программное приложение или компонент, разработанный для автоматизации рабочих процессов в заданной
предметной области и соответствующей технической среде.
Переход от обеспечивающей технологии к функциональной возможен не только усилиями специалиста-разработчика, но и самим пользователем, что зависит исключительно от уровня квалификации пользователя и характера необходимых доработок.
Правильная реализация предметной технологии в энергетике невозможна без грамотной организации технологического процесса обработки информации. Вне зависимости от предметной области, вся обработка информации подразделяется на три фундаментальных этапа технологического цикла обработки данных:
Подготовительная стадия. На начальном этапе собираются первичные документы из различных источников и подготавливаются к процедуре автоматизированной обработки. Происходит тщательное изучение и классификация полученных документов, уточняются контрольные сведения для последующего мониторинга правильности внесенных данных.
Основная фаза обработки информации. В ходе основного этапа осуществляются ввод данных, их обработка в соответствии с заложенным алгоритмом, а также формирование выходной документации. Ввод данных может происходить вручную или автоматически, с обязательным контролем их целостности и соответствия требованиям. Первоначальные сведения переносятся в электронное хранилище или информационную базу, где проходят дальнейшую обработку по заданному алгоритму. Завершается этап формированием выходных данных и распечатыванием результативной документации.
22
Заключительный этап. Завершительным шагом является верификация полноты и качества сформированной документации, её размножение и передача ответственным исполнителям по различным каналам связи (бумажные носители, электронные носители, онлайндоставка).
Современная энергетика обладает возможностями трех главных методов обработки информации:
Централизованный способ – В этом варианте информация аккумулируется в едином центральном узле, где сосредоточены все ресурсы для обработки данных. Основное достоинство данного способа – высокая экономичность при больших объемах данных и равномерная нагрузка на вычислительную технику.
Децентрализованный способ – Отличается распределенностью ресурсов и проведением обработки данных непосредственно там, где они возникли и будут использоваться. Главное преимущество метода
– увеличение скорости обработки информации и улучшение качества принимаемых решений за счёт непосредственной автоматизации рабочего места, эффективного взаимодействия через надежные каналы связи и непосредственного ввода данных в месте их образования. Существует два варианта реализации децентрализации: автономный (физическая доставка документов и данных) и сетевой (использование телекоммуникаций).
Смешанный способ обработки информации – Практичный подход,
сочетающий преимущества централизации и децентрализации. Чаще всего основной метод дополняется отдельными элементами второго способа, что позволяет значительно увеличить общую эффективность
системы и лучше распределить материальные и человеческие ресурсы. Компьютеры в энергетике работают в одном из двух основных
режимов обработки данных:
Пакетный режим, исторически первый и распространенный ранее в крупных вычислительных центрах середины прошлого столетия. Суть пакета состоит в последовательном выполнении заранее запрограммированных команд без прямого участия оператора. Задания формируют очередь, которую управляет операционная система, координируя ввод данных, запуск программ и взаимодействие с оборудованием.
Задачи, выполняемые в пакетном режиме, обладают такими особенностями:
Расчёт охватывает большинство записей из входных файлов.
Присутствует большой объём исходных и итоговых данных, размещённых на средствах хранения информации (например, жёстких дисках).
Задача решается по чёткому алгоритму, исключающему вмешательство пользователя.
23
Регулярный характер обработки информации, при которой задачи исполняются периодически.
Значительное время исполнения, вызванное большим количеством
обрабатываемых данных.
Распространение персональных компьютеров снизило популярность пакетного режима, так как теперь пользователи могут напрямую контролировать процесс обработки данных (диалоговый режим).
Передача и представление информации в энергетике:
Необходимость передачи и наглядного представления информации обусловлена тем, что часто информация необходима в отдалённых точках от её источника. Человек воспринимает информацию визуально, символически, акустически и тактильно.
Современные коммуникационные системы объектов энергетики могут передавать информацию в разнообразных формах: телефонные переговоры, телевидение, телеграфия, цифровые потоки данных, фотографии и видеоматериалы, печатные издания. Для передачи информации по назначению применяется специальный канал связи, состоящий из комплекса технических средств, которые передают сигнал от отправителя к получателю и обратно.
Ключевая характеристика канала связи — пропускная способность, максимальная величина которой ограничивается полосой частот и шумовыми помехами.
Цифровые каналы связывают передающее и приёмное устройства с помощью линий связи, которые бывают проводными, кабельными, телеметрическими, радиорелейными, спутниковыми и оптическими. Энергетические объекты оснащены техническими системами связи, такими как телефонные и вычислительные сети, телеметрия, спутниковая связь, мобильные стандарты связи (2G, 3G, 4G, 5G).
Модемы в цифровых сетях отвечают за функции отправки и приёма данных. Кодированная цифровая передача обеспечивает защищённость информации и лучшее качество приёма.
Представление информации конечному пользователю связано с процессами её воспроизведения и отображения.
Воспроизведение информации — Это чтение ранее сохранённых данных с физического носителя специальным устройством.
Отображение информации — Процесс представления данных в
понятной человеку форме, осуществляемый посредством генерации сигналов на основе исходных данных и установленных правил их преобразования.
Чаще всего потребителями информации являются люди, принимающие решения на основе результатов обработки данных. Люди воспринимают информацию через зрение, слух, осязание и обоняние, поэтому компьютеру приходится преобразовывать машинное представление информации в удобную для восприятия форму.
24
Перед появлением информации на экране мониторного устройства компьютер совершает ряд автоматических операций: преобразует данные из внутреннего машинного формата в экранный, синхронизирует отображаемую информацию с характеристиками экрана и выводит её на дисплей в удобочитаемом виде.
Главным инструментом восприятия информации человеком остаётся зрительное восприятие, следовательно, средства отображения в современных информационных системах обязаны демонстрировать данные в удобоваримой форме, облегчающей визуальное усвоение. Современные мультимедийные системы предлагают мультимедийный контент, однако традиционные управленческие информационные системы преимущественно используют текстово-графическое представление данных с помощью мониторов и печатных устройств (принтеры, плоттеры).
25
4.КРАТКАЯ ИСТОРИЯ, ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
ИСТАНДАРТИЗАЦИЯ СИСТЕМНОЙ ИНЖЕНЕРИИ
ВЭНЕРГЕТИКЕ И ДРУГИХ ОБЛАСТЯХ
История становления системной инженерии в энергетике и смежных областях:
Впервые Первые шаги системного подхода и инженерных методов зародились в США в первой половине XX века, в годы Второй мировой войны (1941-1945 гг.) и послевоенного периода. Научно-технический прогресс и растущие потребности в автоматизации производства стали стимулом для проектирования высокоинтегрированных, сложноорганизованных систем. Эти системы отличались несколькими ключевыми признаками:
Количественное усложнение: рост числа функций, компонентов, уровня автоматизации и стоимость разработок.
Качественное усложнение: новая степень организованности, межсистемного взаимодействия и гетерогенность компонентов.
Первопроходцем стала публикация основополагающего труда по системной инженерии в 1957 году, где авторы обозначили характерные признаки крупномасштабных систем, созданных человеком:
Многосвязанность параметров системы, проявляемая взаимозависимостью параметров, влияющих на общее функционирование и стабильность.
Невозможность точного предсказания внешнего влияния на систему.
Необходимость эффективных методов принятия решений, способных справиться с неопределённостью.
Масштаб системы, выражающийся в многочисленности компонентов, функций и высоких затратах на реализацию.
Единство общей цели и назначения системы.
Высочайшая степень автоматизации, решающая как технические, так и организационные задачи.
Внутренняя конкурентность между частями системы.
Возникновение новых форм организации труда, основанных на коллективных методах работы.
Акцент на взаимодействии человека и машины, значимость
эргономичности интерфейсов и удобства операторов.
Эти особенности подчёркивали возросшие требования к инженерным подходам и качеству проектирования сложных систем, что предопределило дальнейшее развитие системной инженерии как науки и практики.
Системная инженерия начала развиваться как отдельная научная дисциплина в конце 1950-х – начале 1960-х годов на Западе, в рамках общей теории систем. Изначально её рассматривали как прикладное направление вместе с исследованиями операций и инженерной
26
психологией. Основной сферой интересов системной инженерии стали научные методы планирования, проектирования, оценки, создания и эксплуатации искусственных систем, направленных на удовлетворение человеческих потребностей. Помимо технических вопросов, особое внимание уделяется проблемам организации совместной работы коллективов разработчиков таких систем.
Главным вкладом системной инженерии стало предложение целого комплекса методов, позволяющих планировать, анализировать и реализовать проекты, направленные на создание систем разного масштаба и назначения. Эти методы характеризуются систематическим подходом к принятию решений и обеспечивают надежное продвижение от замысла системы к рабочему проекту и, наконец, к функционирующей конструкции.
Значительный рост популярности системной инженерии пришелся на 1960-е – 1970-е годы, когда наибольшего прогресса добились американские аэрокосмическая и оборонная промышленность, реализовав крупные государственные проекты.
Одним из первых значимых шагов в истории дисциплины стала методология системной инженерии, сформулированная в 1964–1965 годах. Она была охарактеризована как творческий, организованный процесс, базирующийся на ряде важных принципов:
Исследование потребностей. Прежде всего, важным элементом является глубокое изучение существующих и перспективных потребностей, учет текущих и будущих тенденций рынка.
Оптимизация взаимодействия. Целью системной инженерии является установление оптимального баланса между интересами человека, созданной системой и окружающей её средой. Окружающая среда включает три аспекта: физический, экономический и социальнокультурный.
Многообразие подходов. Объекты системной инженерии должны рассматриваться всесторонне, с учётом их сложного устройства и
многофункциональности.
За десятилетие (1960–1970-е годы) системная инженерия выработала устойчивую методологию и инструментарий, объединив опыт различных наук и отраслей профессиональной деятельности. Таким образом, появился целостный цикл проектирования и внедрения систем, соответствующий жизненному циклу: от первоначального замысла до окончания эксплуатации. Благодаря междисциплинарному сотрудничеству был достигнут успех в формировании практических подходов, позволяющих создать полноценную систему на всех стадиях её существования.
Во второй половине XX века и на рубеже тысячелетий происходил интенсивный рост науки и технологий, связанный с всеобщей информатизацией, глобализацией экономики и повышением интеграции процессов. Всё это потребовало развития всё более сложных систем в
27
энергетике, производстве, транспорте, коммуникации и других секторах экономики.
Параллельно с зарубежными исследованиями в 1960-е годы в СССР
начала складываться близкая по содержанию дисциплина под названием «системотехника». Одним из ранних проявлений этой тенденции стала активная разработка автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП). Первым примером стала система АСУ «Кунцево», созданная на Московском радиотехническом заводе. Она изначально работала на машинах серии «Минск-22», позже модернизирована до моделей «Минск-32». Проект представлял собой комплексную унифицированную систему управления предприятием, направленную на повышение эффективности производственного процесса.
Опыт, полученный при создании АСУ «Кунцево», оказался полезным и нашел применение в дальнейшем на предприятиях оборонного комплекса Советского Союза, где начал активно применяться системный подход к разработке и внедрению автоматизированных систем управления.
В конце 1970-х годов советские специалисты разработали и утвердили серию государственных стандартов (ГОСТ) под общим названием «Единая система программной документации» (класс 19). Дальнейшее развитие систем автоматизации и модернизация технической базы в период с начала до середины 1980-х годов стимулировали принятие нового стандарта ГОСТ 24-го класса, известного как «Единая система стандартов автоматизированных систем управления». Класс 24-й состоял примерно из 20 различных спецификаций, устанавливавших правила и нормы для оценки характеристик АСУП, формулировки типовых проектных решений и других положений. Несмотря на то, что обновление данных стандартов прекратилось в конце 1980-х годов, они остаются актуальными и находят широкое применение на практике.
Накопленный опыт проектирования систем различного назначения в различных областях, включая энергетику, позволил разработать новую серию стандартов — ГОСТ 34-го класса «Информационная технология», утверждённую в конце 1980-х — середине 1990-х годов. Этот класс фактически заменил и дополнил прежнюю линейку стандартов 19-го класса, охватывая всю последовательность этапов жизненного цикла информационных систем, от постановки технического задания до сопровождения готового решения.
Дальнейшее развитие системно-инженерных методов и стандартов в России шло параллельно с совершенствованием информационных технологий и программной инженерии, что позволило отечественным стандартам занять важное место в процессах проектирования и эксплуатации сложных технических систем.
Основные понятия системной инженерии в энергетике и других областях:
Сегодня системная инженерия рассматривается как мультидисциплинарная наука, объединяющая различные методы, подходы
28
и технологии, нацеленные на проектирование и эксплуатацию сложных систем любого масштаба и назначения в энергетике и других отраслях. Основным отличием системной инженерии от традиционных инженерных специальностей является её ориентация на обеспечение целостности системы, тогда как обычные инженеры в большей степени полагаются на эмпирический опыт работы с похожими системами, нежели на универсальные принципы.
Системный инженер играет ключевую роль в проекте, будучи ответственным за достижение успеха на уровне всей системы. Его обязанность — проанализировать возможные риски и внести необходимые корректировки в конструктивные решения и методы проектирования и изготовления, минимизировав негативные последствия. Особенность мышления системного инженера заключается в его способности объединить знания и подходы из различных инженерных областей.
Системотехника, или системная инженерия, представляет собой научную дисциплину, занимающуюся разработкой фундаментальных принципов, методов и инструментов для проектирования, создания и эксплуатации сложных систем в энергетике, включающих как технические, так и социотехнические компоненты.
Проектирование таких систем сопряжено с множеством задач, связанных с необходимостью понимания функционирования системы на протяжении всего её жизненного цикла, включая внешние факторы влияния, внутренние взаимодействия, оптимизацию структуры, выбор лучших режимов работы, эффективное управление и учет сопутствующих технологических процессов.
Теоретической базой системной инженерии служат системный подход и общая теория систем, а также обширный арсенал методов, таких как:
Системный анализ.
Теория игр.
Теория ситуаций.
Математическая статистика.
Математическая логика.
Комбинаторика.
Теория алгоритмов.
Теория информации.
Таким образом, системная инженерия представляет собой мультипредметную сферу научно-технического творчества, интегрирующую в себе элементы естественных, инженерных и управленческих наук.
Процедуры системной инженерии состоят из нескольких обязательных фаз:
29
Анализ потребностей. Главная задача на этом этапе — выявление и анализ требований всех заинтересованных сторон, включая клиентов, пользователей и других участников процесса.
Разработка решения. Предполагает глубокий анализ возможных решений, поиск оптимального варианта, соответствующего существующим ограничениям и ресурсам.
Реализация и сопровождение. Включает проектирование, реализацию, проверку, подтверждение готовности и эксплуатационное сопровождение выбранной системы, а также её вывод из эксплуатации при необходимости.
Основные концепции системной инженерии:
Основу системной инженерии образуют ключевые концепции, которые определяют её суть и направленность:
Система. Представляет собой группу взаимосвязанных элементов, имеющих общую цель и функциональность.
Жизненный цикл системы. Описывает все этапы существования системы, начиная с разработки концепции и заканчивая прекращением её использования.
Заинтересованные стороны. Любые физические или юридические лица, чьи интересы связаны с функционированием системы.
Эти концепции определяют подход к решению задач системной инженерии и регулируют действия инженеров на каждом этапе жизненного цикла системы.
Комплексный подход системной инженерии:
Системная инженерия предполагает интеграцию различных научных дисциплин и инженерных практик для создания высоконадежных и эффективных систем, отвечающих ожиданиям пользователей и общества. Основными инструментами и областями, вовлеченными в системную инженерию, являются:
Общая теория систем.
Математика.
Информатика.
Управление и принятие решений.
Компьютерное моделирование.
Традиционные инженерные практики.
Особое внимание уделяется крупным и сложным системам, где отношения между элементами внутри системы сильнее, чем их связи с внешними объектами. Большие системы характеризуются значительным числом элементов, сложной иерархией, интенсивностью обмена ресурсами и высоким уровнем неопределённости в описании их состояния.
Важнейшим понятием в системной инженерии является жизненный цикл системы, обозначающий эволюционный путь системы от рождения до выхода из эксплуатации. Каждая стадия жизненного цикла требует тщательного анализа и принятия взвешенных управленческих решений.
30