автореферат диссертации по , 05.00.00, диссертация на тему:Моделирование и анализ информационного потока при дистанционном выдерживании режима работы

Год : 2005

62 11/46

№ : 1096

ДИССЕРТАЦИЯ

представленная

на факультете технических наук Университета Франш-Конте

на соискание

СТЕПЕНИ ДОКТОРА УНИВЕРСИТЕТА _ ^ , ФРАНШ-КОНТЕ ^ ^ ^

в области Автоматики .V" .........

Моделирование и анализ информационного потока при дистанционном выдерживании режима работы

Вячеслав ТАРАРЫКИН

Защищена 7 ноября 2005 г. в присутствии комиссии:

Рецензенты: Мария Ди Масколо Научный работник Национального

центра научных исследований

Паскаль Лоренц Профессор Университета

Экзаменаторы: Брижит Морелло

Абделла Эль Мудни Эрве Гиенне

Доцент

Профессор Университета Профессор Университета

Руководитель : Нуреддин Зеруни

Профессор Университета

Année : 2005

№ ordre : 1096

THESE

présentée à

L'UFR des Sciences et Techniques de l'Université de Franche-Comté

pour obtenir le

GRADE DE DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE FRANCHE-COMTE

en Automatique

(Ecole Doctorale Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques)

Modélisation des Flux d'Information dans un Système de E-maintenance.

par

Viatcheslav TARARYKINE

Soutenue le 7 Novembre 2005 devant la Commission d'examen :

Rapporteurs : Maria DI MASCOLO

Pascal LORENZ Examinateurs : Brigitte MORELLO

Abdellah EL MOUDNI

Hervé GUYENNET

Directeur de Noureddine ZERH0UNI thèse :

Chargée de recherche au CNRS, LAG Professeur, Université de Haute Alsace Maître de Conférences, Université de Franche-Comté

Directeur du Laboratoire Systèmes et Transport, UTBM

Professeur, Université de Franche-Comté

Professeur, ENSMM

Invité

Pascal BRESSY

Responsable du département Exploitation - CEM - Logistique, DCN

Содержание

Общее введение 1®

Обозначения и сокращения 13

I Стратегии, организация и информационные системы в области обслуживания производственного оборудования: от обслуживания к дистанционному обслуживанию 15

1.1. Определения .....................................................................................18

1.2. Традиционные стратегии и новые формы обслуживания ............................20

1.2.1. Корректирующее обслуживание .....................................................20

1.2.2. Профилактическое обслуживание ...................................................21

1.2.3. Обслуживание по состоянию .........................................................21

1.2.4. Удалённое обслуживание ..............................................................22

1.2.5. Дистанционное обслуживание ........................................................23

1.2.6. Платформа дистанционного обслуживания ........................................28

1.3. Организация работ или типы обслуживания ..............................................29

1.3.1. Децентрализованное обслуживание .................................................29

1.3.2. Централизованное обслуживание ....................................................30

1.3.3. Смешанная организация ...............................................................31

1.3.4. Подрядное обслуживание ..............................................................31

1.3.5. Распределенное обслуживание ........................................................32

1.4. Проблематика исследования ..................................................................35

1.4.1. Статическое моделирование ...........................................................37

1.4.1 .а. Реляционная модель и понятийно-ассоциативная модель ............37

1.4.1.6. Язык иМЬ в информационных системах .................................38

1.4.2. Динамическое моделирование ........................................................40

1.4.3. Интеграция объектно-ориентированных подходов и сетей Петри ............42

1.4.3.а. Интеграция объектно-ориентированных подходов в сети Петри ....43

1.4.3.6. Интеграция сетей Петри в объектно-ориентированные методы .....44

1.4.3.в. Совместное использование объектно-ориентированных

методов и сетей Петри ........................................................44

1.4.4. Моделирование: информационный аспект ............... ..........................46

3

1.5. Предлагаемая методика ........................................................................48

1.6. Заключение .......................................................................................49

II Организационное моделирование с помощью языка UML 51

II. 1. Введение в UML ................................................................................53

II. 1.1. История появления языка ..............................................................53

II. 1.2. Объектный подход .......................... ............................................54

II. 1.3. Диаграммы классов UML ..............................................................55

II.2. Компоненты функции обслуживания .....................................................57

11.2.1. Оборудование ............................................................................58

11.2.2. Сигналы ...................................................................................58

11.2.3. Модули слежения .......................................................................59

П.2.3.а. Сбор данных ...................................................................59

II.2.3.6. Детектирование ................................................................59

II.2.3.B. Диагностика ....................................................................60

11.2.4. Состояние ............................... ..................................................60

11.2.5. Дополнительные модули ........................ .....................................61

П.2.5.а. Прогнозирование .............................................................61

II.2.5.6. Планирование .................................................................61

11.2.6. Ресурсы ...................................................................................61

II.3. Заключение .....................................................................................64

III Поведенческое моделирование с помощью сетей Петри 66

III. 1. Сети Петри ......................................................................................68

III. 1.1. Введение ..................................................................................68

III. 1.2. Правила функционирования сети Петри ..........................................69

III. 1.3. Структурные расширения ............................................................70

III. 1.4. Временные расширения ..............................................................73

III. 1.5. Стохастические сети Петри .........................................................74

III.2. Разработка модели ...........................................................................77

111.2.1. Динамическое поведение участников .............................................77

111.2.2. Определение и моделирование сценариев ........................................80

III.3. Заключение ....................................................................................82

IV Информационная модель и оценка характеристик 84

IV.l. Качество обслуживания ......................................................................86

IV.2. Классификация информационных потоков .............................................88

IV.3. Моделирование источников трафика .....................................................89

IV.3.1. Цепи Маркова ..........................................................................90

IV.3.2. Модель ММРР: общее представление ............................................91

IV.3.3. ММРР с двумя состояниями ........................................................92

IV.3.3.а. Модель IPP ...................................................................92

IV.3.3.б. Модель SPP ..................................................................94

IV.3.4. Модель ММРР видеотрафика ......................................................95

IV.4. Коммуникационные протоколы ..........................................................97

IV.4.1. Механизмы управления потоками TCP ..........................................99

IV.4.1.a. TCP Tahoe ....................................................................100

IV.4.1.6. TCP Reno ....................................................................102

IV.4.2. Моделирование с помощью стохастических сетей Петри ..................103

IV. 5. Оценка характеристик .....................................................................106

IV. 5.1. Типы анализа .........................................................................106

IV.5.1.a. Качественный анализ ......................................................106

IV.5.1.6. Количественный анализ ..................................................106

IV.5.1.B. Качественно-количественный анализ .................................107

IV.5.2. Анализ источников трафика ........................................................107

IV.5.3. Анализ коммуникационных протоколов ........................................107

IV.6. Пример приложения ........................................................................109

IV.6.1. Статическая модель ..................................................................110

IV.6.2. Динамическая модель ...............................................................112

IV.6.2.a. Динамическое поведение участников .................................112

IV.6.2.6. Разработка сценариев ......................................................113

IV.7. Заключение .................................................................................115

Общее заключение и перспективы 117

Библиография 124

Список иллюстраций

1.1. Режимы работы системы

1.2. Различные формы обслуживания

1.3. Первое решение дистанционного обслуживания

1.4. Второе решение дистанционного обслуживания

1.5. Интеллектуальный датчик

1.6. Новые формы обслуживания

1.7. Архитектура Интеллектуальной Системы Дистанционного Обслуживания (IMS: Intelligent Maintenance System)

1.8. Стандартная платформа дистанционного обслуживания PROTEUS

1.9. Децентрализованное обслуживание

1.10. Централизованное обслуживание

1.11. Смешанное обслуживание

1.12. Подрядное обслуживание

1.13. Интенсивность связи между центром обслуживания (UM) и предприятием (Ent)

1.14. Система RoMain

1.15. Новые тенденции в организации обслуживания

1.16. Диаграммы UML

1.17. Концептуальная модель сбора данных

1.18. Архитектура OSA/CBM

1.19. Пример динамической модели согласно J. Dehnert

1.20. Интеграция объектно-ориентированных подходов в сети Петри

1.21. Интеграция сетей Петри в объектно-ориентированные методы

1.22. Совместное использование объектно-ориентированных методов и сетей Петри

1.23. HEMATOWORK: организационная часть

1.24. Предлагаемая методика

II. 1. Различные версии UML: хронология появления

11.2. Графическое представление классов в UML

11.3. Представление ассоциации в UML

11.4. Представление агрегирования в UML

11.5. Представление композиции в UML

11.6. Представление навигации в UML

11.7. Графическое представление пакетирования

11.8. Представление оборудования

11.9. Пакетирование сигналов

11.10. Пакетирование состояния II. 11. Пакетирование ресурсов

II.12. Статическая модель функции обслуживания

III. 1. Пример сети Петри

111.2. Пример графа маркировок

111.3. Пример сети Петри с весовыми дугами

111.4. Пример сети Петри с ингибиторной дугой и функцией возбуждения

111.5. Различные политики временной памяти

111.6. Представление участника

111.7. Динамическое поведение Оператора

III. 8. Пример сценария (корректирующее обслуживание)

IV. 1. Графическое и формальное представление цепи Маркова с тремя состояниями IV.2. Стандартное графическое представление ММРР с тремя состояниями

IV.3. Графическое представление: а) модель IPP; б) соответствующая стохастическая сеть Петри

IV.4. Результаты численного моделирования модели IPP: 1- плотность вероятности; 2-функция распределения

IV.5. Графическое представление: а) модель SPP; б) соответствующая стохастическая сеть Петри

IV.6. Результаты численного моделирования модели SPP: 1- плотность вероятности; 2-функция распределения

IV.7. Модель ММРР сжатого видеотрафика согласно H. Saito

IV.8. Модель сети Петри сжатого видеотрафика согласно Н. Saito

IV.9. Результаты численного моделирования модели видеопотока согласно Н. Saito:

1 - плотность вероятности; 2- функция распределения

IV. 10. Механизм скользящего окна TCP

IV. 11. TCP Tahoe: алгоритмы управления перегрузками

IV. 12. TCP Tahoe: эволюция окна перегрузки

IV.13. TCP Reno: алгоритмы управления перегрузками

IV. 14. TCP Reno: эволюция окна перегрузки

IV. 15. TCP Tahoe: представление с помощью сетей Петри

IV. 16. TCP Reno: представление с помощью сетей Петри

IV. 17. TCP Tahoe: эволюция размера окна перегрузки (ploss=0,01%)

IV. 18. TCP Reno: эволюция размера окна перегрузки (ploss=0,01%)

IV. 19. Эволюция размера окна перегрузки (cwnd) в зависимости от значения вероятности потерь (ploss): 1 - TCP Tahoe, 2 - TCP Reno

IV.20. Эволюция действительной скорости передачи (в % от номинальной скорости)

в зависимости от значения вероятности потерь (ploss): 1 - TCP Tahoe, 2 - TCP Reno

IV.21. Географическое размещение структур

IV.22. Архитектура системы перемещения

IV.23. Наблюдаемый компонент (толкатель)

IV.24. Статическая модель информационной системы примера

IV.25. Модель сети Петри сценария обслуживания

IV.26. Представление канала передачи

Список таблиц

IV. 1. Параметры, относящиеся к различным параметрам потоков

IV.2. Предлагаемая классификация потоков

IV.3. Представление моделей OSI и TCP/IP

IV.4. Интерпретация позиций моделей протоколов

"The sciences do not try to explain, they hardly even try to interpret, they mainly make models. By a model is meant a mathematical construct which, with the addition of certain verbal interpretations, describes observed phenomena. The justification of such a mathematical construct is solely and precisely that it is expected to work."

John Von Neumann, математик (1903-1957)

Общее введение

Возникшая в 70-80-х годах прошлого века как ответ на потребности производства управлять технически и экономически автоматизированными системами производства, функция обслуживания утвердила с тех пор свою позицию в системе организации предприятий.

Обслуживание производственного оборудования становится сегодня ключевым элементом производственной эффективности и качества продукции. Во-первых, стоимость обслуживания составляет значительную часть общей стоимости производства и, во-вторых, выход из строя оборудования может иметь значительное влияние на качество продукции и на доступность оборудования.

Как и множество других служб, связанных с системами производства, функция обслуживания также подвержена многочисленным «мутациям» с момента своего рождения. Под этим термином понимается не только расширение числа областей применения, но также коренные изменения деятельности по обслуживанию на организационном уровне.

Сегодня, сфера обслуживания все больше и больше стремиться стать самостоятельной полноправной отраслью [СотЬеаи, 2002] и множество предприятий, специализирующихся в этой сфере (иначе говоря, центров обслуживания), были созданы за последние годы. Эта тенденция в большей своей части вызвана развитием информационных и коммуникационных технологий.

Эффективность новых коммуникационных систем отныне благоприятствует передаче исполнения деятельности по обслуживанию сторонним организациям (экстернализации), позволяя предприятиям концентрироваться на их основной

деятельности. Таким образом, функция обслуживания трансформируется сегодня в настоящую профессию со своими собственными методиками и концепциями, адаптированными к современному уровню технической оснащенности.

Частичная или полная передача функции обслуживания сторонним организациям также дает большое число преимуществ как для предприятий, так и для центров обслуживания: оптимизация вмешательства специалистов; централизация данных об авариях; лучшее управление запасными частями и т.д. Но важно отметить, что это удаленное управление службами обслуживания неизбежно порождает усложнения соответствующих информационных систем (ИС) и как следствие, накладывает дополнительные требования к процессам управления потоками информации.

С целью возможности оценки влияния такой модернизации на функционирование производственных систем и центров обслуживания перед её проведением применение инструментов моделирования остается единственным решением названной проблемы.

Анализируя научные труды последних лет, можно отметить, что большее число работ по исследованию в области моделирования информационных систем требуют завершения. Однако, лишь малая часть из них посвящена информационным системам функции обслуживания. Существующие модели, в общем случае, могут быть разделены на две большие категории: статические и динамические, и никогда не рассматривают эти два аспекта одновременно. Статические модели представляют только организационную сторону системы, тогда как динамические модели рассматривают информационные системы с точки зрения поведенческой и информационной.

В том, что касается статического представления некоторой системы, Диаграммы Классов, составляющие часть Унифицированного Языка Моделирования (1ЖЬ), могут быть взяты за основу в этой области. Возникший в 90-е годы и базирующийся на объектном подходе, иМЬ зарекомендовал себя в многочисленных научных и промышленных проектах.

Но, несмотря на выразительную мощь иМЬ, можно отметить в нем несколько недостатков, в частности в том, что касается представлении времени на диаграммах соответствующих динамическому поведению. Согласно различным изученным научно-исследовательским работам, лучшим инструментом, адаптированным к этой части процессов моделирования, сегодня являются сети Петри с временным расширением. Можно отметить, что выразительная сила сетей Петри дает также многочисленные возможности включения в область моделирования информационного аспекта систем информации.

С целью создания модели, отражающей как статический, так и динамический аспект информационных систем функции обслуживания, в данной работе предлагается собственная методика моделирования.

Работа состоит из четырех глав, краткое содержание которых приводится ниже.

Глава I посвящена функции обслуживания и сначала приводятся основные определения в этой области. Затем, после рассмотрения различных стратегий и организационных типов обслуживания, демонстрируется тенденция его становления как полноправного рынка с передачей функций сторонним организациям. Наконец, раскрывается проблематика исследования и описываются используемые инструменты моделирования.

Глава II Целиком1; посвящена описанию языка ИМЬ, а также методики, принятой с целью разработки организационной модели информационной системы функции обслуживания.

В Главе III предлагаем оригинальное представление поведения моделируемой системы, оставаясь в рамках понятия «объект», налагаемого использованием языка ТЛМЬ для статической части модели.

В Главе VI исследование последнего аспекта глобальной модели, а именно, информационного аспекта, продолжает моделирование динамического поведения информационной системы функции обслуживание. Использование одного из расширений сетей Петри - стохастической сети Петри, позволяет легко представить поведение разных частей информационного потока, всецело соблюдая целостность модели. С целью обеспечить лучшее понимание методики предлагаемого моделирования в конце главы приведен пример её использования.

Настоящая работа завершается общим заключением, в котором подчеркнуты некоторые перспективы выполненного исследования.

Обозначения и сокращения

р множество позиций сети Петри

т множество переходов сети Петри

I множество вхо