автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Алгоритмы и программный комплекс автоматизированного управления процессом проектирования систем управления сложными технологическими объектами

АЙРАПЕТОВ ДАВИД АЛЬБЕРТОВИЧ

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность: 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Калининград - 2013

005546876

Работа выполнена на кафедре «Системы управления и вычислительная техника» в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Калининградский государственный технический университет» (КГТУ)

Научный руководитель: Арунянц Геннадий Георгиевич, доктор

технических наук, профессор, профессор кафедры «Системы управления и вычислительная техника», КГТУ, г. Калининград

Официальные оппоненты: Аракелян Сергей Мартиросович, доктор физико-

математических наук, профессор, заведующий кафедрой «Физика и прикладная математика» ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Владимир

Карлов Анатолий Михайлович, доктор технических наук, профессор, проректор по учебной и научной работе Негосударственного образовательного учреждения ВПО «Балтийский институт экономики и финансов», г. Калининград

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение ВПО «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта», г. Калининград

Защита диссертации состоится 4 декабря 2013 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат диссертации разослан 1 ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Давыдов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Основной проблемой проектирования современных систем управления (СУ) сложными технологическими объектами (ТО) является создание методов, рассчитанных на использование ЭВМ и принципов системного анализа. Системный подход позволяет выделять основные подсистемы исследуемого объекта, формализовать задачи, цели и функции этих подсистем и механизмы связей между ними, разрабатывать альтернативные структуры СУ и намечать последовательность действий по выбору оптимальных вариантов по реализации проектных решений и оценке результатов их использования. Все это определяет необходимость использования новых принципов проектирования и внедрение нового инструментария — системы автоматизированного проектирования (САПР), обеспечивающей эффективную одновременную работу большого количества пользователей, а управление процессом проектирования является задачей, решение которой осуществляется постоянно при условии непрерывной работы коллектива разработчиков СУ конкретными ТО. Процесс в этом случае характеризуется динамическими изменениями, происходящими под воздействием внутренней и внешней среды в различные отрезки времени.

Проектирование с использованием средств автоматизации предполагает наличие управляющего комплекса (УК), отвечающего за соблюдение установленного порядка ведения технологического процесса проектирования. В зависимости от конкретной многопользовательской системы проектирования УК может выполнять различные функции, но при этом является неотъемлемой частью системы.

Своевременность и актуальность решаемых в настоящей работе проблем заключается в том, что в ней поставлена и решена задача системного исследования и выбора метода, разработки алгоритмов и программного комплекса автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, обеспечивающего параллельный инжиниринг, контроль версий рабочих данных и хода проектирования, реализацию одновременной разработки нескольких независимых проектов и многое другое.

Вопросам проектирования СУ сложными ТО посвящены работы авторов: Арунянца Г.Г., Ланцова В.Н., Норенкова И.П., Рутковского А.Л., Свечинского В.Б., Смилянского Г.Л., Солодовникова В.В., Шестихина О.Ф., Govind R., Morari M., Powers G.I., Stephanopoulos G., Wilson I.D. и др. Вопросам создания систем обработки информации посвящены работы авторов: Аракелян С.М., Зайцев И.Д., Костров A.B., Кравченко Т.К., Краснощеков П.С., Окунев Ю.Б., Садыков С.С., Телков Ю.К. и др.

Объектом исследования являются процессы и методология проектирования систем управления сложными технологическими объектами.

Предметом исследования являются методы и механизмы решения проблемы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, ориентированного на условия коллективной работы специалистов-проектировщиков и обеспечения одновременной разработки нескольких независимых проектов.

Цели и задачи. Целью настоящей работы является разработка алгоритмов и программного комплекса, повышающих эффективность автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Системный анализ основных принципов, особенностей проектирования СУ сложными ТО и основных проблем его автоматизации; исследование и постановка задачи разработки системы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

2. Исследование методологической основы управления процессом оптимального проектирования СУ сложными ТО с использованием эволюционной стратегии синтеза и формирование принципов эффективного взаимодействия средств САПР СУ сложными ТО в условиях ее развития.

3. Исследование и выбор метода, разработка специального алгоритмического обеспечения автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

4. Анализ особенностей и реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО. Анализ и выбор методов и средств разработки специального программного обеспечения для автоматизированной системы управления процессом проектирования СУ ТО.

5. Разработка структуры средств, информационного и специального программного обеспечения комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

6. Выбор метода и анализ эффективности функционирования разработанного программного комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

Научная новизна работы:

1. По результатам проведенных системных исследований выполнена декомпозиция процесса проектирования СУ сложными ТО на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, позволившая упростить постановку и решение задачи управления процессом проектирования.

2. Разработаны и реализованы машинные алгоритмы автоматизированного управления (планирования, контроля, учета и принятия решений) процессом проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов в соответствии с выбранным методом ситуационного управления.

3. По результатам анализа реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО и выбора методологии программирования разработана структура средств, информационное и специальное программное обеспечение комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО и алгоритмы его функционирования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Предложенный подход к организации процесса проектирования СУ сложными ТО с использованием результатов его декомпозиции на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, упрощает постановку и решение задачи управления.

2. Разработанные алгоритмы принятия решений повышают степень автоматизации процесса управления проектированием СУ ТО и легко реализуются в рамках разработанного программного комплекса УК-01.

3. Разработанный и реализованный программный комплекс УК-01, ориентированный на использование в рамках специализированных проектных организаций, обеспечивает повышение эффективности процесса проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

4. Разработанный программный комплекс УК-01 принят к использованию в ООО «МЦЭ-Инжиниринг» (г. Москва), ООО «КИТ» (г. Калининград), НПК

«Югцветметавтоматика» (г. Владикавказ). Экономический эффект от внедрения разработки для 1 организации в среднем составляет 1 680,0 т. руб. в год.

5. Отдельные теоретические положения, а также алгоритмы и машинные программы, представленные в диссертационной работе, используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет (КГТУ)» при подготовке специалистов в области проектирования СУ ТО.

Методология и методы исследования. Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, методах синтеза и анализа СУ технологическими объектами, методах и приемах исследования сложных технологических объектов: системный анализ, математическое моделирование; совокупность методов и приемов анализа и обработки информации: монографический, сравнительный, динамический, группировок, расчетно-конструктивный, индексный.

Положения, выносимые на защиту: 1. Результаты проведенного системный анализ основных принципов, особенностей проектирования СУ сложными ТО и основных проблем его автоматизации; поставленная задача разработки системы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО и предложенные принципы эффективного взаимодействия средств проектирования СУ ТО в условиях ее эволюционного развития.

2. Подход к организации процесса проектирования СУ сложными ТО с использованием результатов его декомпозиции на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, упрощающий постановку и решение задачи управления.

3. Разработанные алгоритмы принятия решений, реализующие задачи ситуационного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, повышающие степень его автоматизации.

4. Разработанный и реализованный программный комплекс УК-01, ориентированный на использование в рамках специализированных проектных организаций, обеспечивающий повышение эффективности процесса проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

5. Результаты практического применения разработанного программного комплекса УК-01 при решении различных задач проектирования СУ ТО.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные полученные результаты представлены в виде алгоритмов, функциональных, структурных и вычислительных схем, программных кодов. Научные положения, выводы и рекомендации подтверждается результатами экспериментальных исследований; результатами вычислительных экспериментов; соответствием теоретических и экспериментальных исследований; работоспособностью предложенных методов, алгоритмов и разработанного программного комплекса УК-01.

Основные результаты проведенных в диссертации исследований были представлены и обсуждены на: VIII Юбилейной Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании — 2010» (КГТУ). - Калининград, октябрь, 2010; Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2011» (КГТУ).- Калининград, октябрь, 2011; Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2012» (КГТУ).- Калининград, октябрь, 2012; Международная заочная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы развития науки и образования»,- Москва, апрель, 2013; Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2013»

(КГГУ).- Калининград, сентябрь, 2013; научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников и аспирантов КГТУ в 2010-2013 гг.

Основные научные положения, теоретические выводы и рекомендации, содержащиеся в главах 2... 4 диссертационной работы, получены автором самостоятельно. Результаты исследований, приведенные в главе 1, получены автором в соавторстве.

По теме диссертационных исследований опубликовано 12 печатных работ, в том числе 5 научных статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и литературы из 193 наименований. Общий объем диссертации 216 страниц, в том числе 150 страниц основноготекста, 54 рисунков, 17 таблиц и 5 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы научная новизна, цели и задачи исследования, приведены результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Анализ основных аспектов проектирования систем управления сложными технологическими объектами» проведен системный анализ основных аспектов и задач проектирования СУ сложными ТО.

В результате проведенных исследований показано, что цели и критерии проектирования определяют и направляют весь процесс проектирования в условиях накладываемых ограничений на сроки проектирования, стоимость проекта, возможности его физической реализации, материальные и технические ресурсы проектной организации, квалификацию проектировщиков. В главе анализируется место и роль системной методологии с методами анализа и синтеза, ориентированными главным образом на применение современных ЭВМ. Анализируется роль и основные проблемы математического моделирования в проектировании СУ сложными ТО.

Динамическая задача проектирования СУ ТО формулировалась следующим образом. Заданы уравнения управляемого процесса или объекта, например, вида (1):

~ = <p[x{t\ "(О тЛ У(')= C(t)x(t) + D(t)u{t), (1)

at

где (р - вектор - функция; x(t)- вектор состояния; u(t)~ вектор управления; f(t)-вектор возмущений (контролируемых или неконтролируемых); y(t)— вектор выхода; C(t), D(t) - заданные функциональные матрицы соответствующих размерностей.

Заданы глобальный критерий, определяющий цель управления (2):

F = F[д:(0, и( 0 ДО Л (2)

критерии качества управления (3): J = J\x{t), и(1) /(/),'] (3)

и критерии, определяющие основные технические характеристики системы (4):

NJ=Nj[x{t), и(0 Д04 У = 1,2,...,»?. (4)

Требуется найти структуру и параметры управляющей системы, вырабатывающей вектор управления (например, в виде зависимости

и(1) = н\х{1), /], таким образом, чтобы функционал Р имел экстремальное значение, совместимое с ограничениями, например, в виде неравенств (5):

J<Ja^, Л'у<Л'уа; ,/а; N¡а - фиксированные величины. (5)

Су щественные особенности СУ сложными ТО как объектов САПР, влекущие за собой важные следствия — малый объем исходной информации и большая «цена» проектных решений, присущие ранним стадиям проектирования, становятся

предметом особого внимания при развитии методологии автоматизированного проектирования СУ.

Управление самим ходом процесса разработки проектов в рамках САПР является задачей, решение которой должно осуществляться постоянно при условии непрерывной работы коллектива проектировщиков СУ ТО.

В составе современных систем проектирования (особенно в рамках САПР) предполагается наличие управляющего комплекса (УК), отвечающего за соблюдение установленного порядка ведения технологического процесса проектирования. На основе результатов проведенных системных исследований была подтверждена целесообразность и возможность дальнейшей интенсификации работ по его автоматизации. Приведены основные выводы и поставлена задача исследования.

Во второй главе «Разработка методологии управления процессом проектирования СУ сложными ТО» приведены результаты исследования и разработки методов и алгоритмического обеспечения управления процессом проектирования СУ ТО. Показано, что одним из условий автоматизации является представление СУ в виде сложной системы. Центральным моментом при проектировании СУ сложными ТО является системная методология, позволяющая исследовать систему и её поведение в целом, как единого объекта, выполняющего определенную функцию в конкретных условиях. С позиций системного подхода процесс проектирования СУ ТО, как процесс принятия решения представлялся в форме трех связанных этапов: «внешнее проектирование», «формирование облика» системы и «внутреннее проектирование». В главе рассматриваются основные проблемы и особенности реализации указанных этапов проектирования СУ сложными ТО в предположении 2-х уровневой их организации.

По результатам проведенных исследований особенностей проектирования СУ ТО сделано заключение о необходимости направления усилий на решение трех основных задач: 1) создание и объединение ресурсов проектирования (модули и подсистемы для анализа и синтеза задач проектирования); 2) разработка информационной базы системы; 3) разработка средств взаимообмена проектировщика с системой. Анализируются аспекты взаимодействия человека с ЭВМ в процессе проектирования СУ ТО.

Проведенный анализ методологии проектирования СУ позволили выявить структуру средств САПР СУ сложными ТО. Среди ее компонентов особое место занимает программное обеспечение (ПО), поскольку в нем находят отражение все идеи и методы проектирования СУ. Основным блоком системы является управляющая программа, обеспечивающая последовательность выполнения этапов обработки и координации информационного обмена между компонентами системы.

Принцип системной организации программ проектирования определяет необходимость использования единого информационного хранилища системы, что является непременным условием организации сквозного процесса проектирования в системе. Этим единым хранилищем является банк данных (БнД) проектирования, представляющий собой совокупность баз данных (ЛБД) под управлением СУБД и служебных программ для их обслуживания.

Необходимость применения диалогового режима при работе прикладных программ определяется особенностями их использования в рамках САПР СУ ТО (возможны прерывания, вызванные особенностями реализуемых ими алгоритмов, и др.). Предложена многоуровневая архитектура, обеспечивающая высокую эффективность взаимодействия человека с системой Показано, что обеспечение требований переносимости и расширяемости САПР СУ ТО в условиях эволюционного развития во многом связано с решением вопроса создания единых

правил взаимодействия всех прикладных программ с БнД проектирования, программная реализация которых предусматривает создание единого объектного интерфейса (драйвера) ввода-вывода. Рассмотрены особенности реализации такого подхода. Принятая концепция позволяет не только повысить эффективность системы проектирования СУ ТО в целом, но и создать необходимые условия для ее развития.

На основе результатов проведенных исследований по выбору концепции распределения и использования ресурсов проектирования СУ сложными ТО, анализа особенностей реализации и использования различных вариантов облачной концепции, был сделан вывод о целесообразности и возможности использования для таких систем смешанной (гибридной) облачной концепции функционирования для ее использования при организации САПР как в ЛВС проектной организации, так и в облаке. Проанализированы различные платформы построения и реализации облачных приложений, что позволило сделать вывод о преимуществах платформы М1сг8030Й Нурег-У и ее больших возможностях для реализации систем типа САПР. Особое внимание уделялось таким характеристикам платформы, как простота использования, потребление ресурсов, масштабируемость и др. Здесь САПР представляет собой распределенную систему, к которой организации-разработчики получают доступ посредством Интернета (рисунок 1). Для каждой организации существует свой сервер (виртуальная машина) с установленным специальным ПО, а сотрудники организации используют для работы с ним терминалы, которые, осуществляют только ввод-вывод информации.

По результатам проведенных в главе исследований процесса проектирования СУ сложными ТО с позиций системного анализа была разработана процессуальная схема автоматизированного структурного синтеза СУ ТО с использованием эволюционной стратегии, включающей два уровня принятия решений: вытекающих из анализа СУ в целом: основанных на анализе ее подсистем.

Принимая во внимание, что структурный синтез, в результате которого собственно и формируется облик будущей СУ. является ключевым этапом проектирования СУ сложными ТО. процесс проектирования разбивался на укрупненные группы этапов (задач). соответствующие профессионально-направленным группам проектировщиков. Взаимодействия различных групп и этапов структурного синтеза СУ ТО в рамках представлялись в виде матриц взаимосвязи. Каждая группа использует при реализации закрепленных за ней этапов

специализированные программные комплексы и средства организации эффективного взаимодействия с ресурсами и подсистемами системы проектирования. Проведенная декомпозиция позволила упростить постановку и решение задачи управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

В соответствии с принятой концепцией организации управления процессом проектирования СУ ТО выделялись следующие роли пользователей, для которых в рамках создаваемого УК должны разрабатываться соответствующие пользовательские интерфейсы: 1) диспетчера (менеджера) проектов; 2) руководителя профессиональной группы проектировщиков; 3) разработчика - инженера-проектировщика в составе профессиональной группы. В главе приводится классификация и анализ задач, решаемых такого УК с учетом выбранного способа организации процесса проектирования.

К основным целям управления (диспетчирования) процесса проектирования относятся: 1) соблюдение ограничений по срокам завершения выполнения отдельных этапов и разрабатываемых проектов в целом; 2) достижение максимальной скорости реализации проектов; 3) минимальное потребление ресурсов проектирования.

Если процесс управления проектированием СУ сложными ТО можно свести к единственной количественно определенной цели, характеризуемой функционалом Т7 (например, максимальное использование рабочего времени (минимальное суммарное время простоя в работе над проектами), минимальные приведенные затраты на проектирование и т.д.), то проблема проектирования сводится к обычной постановке задачи оптимизации по скалярному критерию (6):

J =extrJ(p,x) = J(p ,х ) (6)

р

при ограничениях (7): Ф1 (р,х)< 0, /= (7)

Если же это невозможно, то проблема управления процессом проектирования сводится к выбору таких значений параметров рвнутри допустимой области, при которых удовлетворяются имеющиеся различные цели. Очевидно, что в каждом из указанных случаев решение может и не существовать.

Динамические задачи управления процессом проектирования СУ ТО значительно сложнее из-за наличия объектов управления с трудно формализуемыми свойствами, необходимости учета не только статических, но и динамических, а также статистических свойств системы, иначе говоря, из-за необходимости принятия решений в условиях большой неопределенности.

Проведенный анализ основных особенностей проектирования СУ сложными ТО показал, что в условиях невозможности построения точной математической модели объекта управления - процесса проектирования СУ ТО - задача поддержки принятия решений, решаемая УК (программным комплексом автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО), представляет собой задачу ситуационного управления. Реализации такого управления потребовала разработки набора правил (продукций) типа: «класс ситуаций —* решение по управлению». Для прогнозирования результатов принятого в данной ситуации решения в системе реализуется «Имитатор», с помощью которого осуществляется выбор наилучшего решения (рисунок 2). В главе представлены основные особенности и проблемы реализации ситуационного управления предлагаемой структуры и приведены результаты исследования и сравнительного анализа различных методологий формирования и оценки принимаемых решений в процессе управления процессом проектирования.

Распозналэкю ситуаций, требующих управления

Анализ кркхадякжкоста текущей ентуацнн к какеыу-лнба известному классу

База описания классов ситуаций, яар ахетр о 8, критериев н соответствующих решений

Рисунок 2 - Структура системы ситуационного управления

Выбор наилучшего решения (управления)

Выбор набора возможных альтернатив решений

В соответствии с выводами, полученными в результате проведенных исследований, были выявлены основные задачи, решаемые в рамках разрабатываемого программного комплекса УК-01:

1. Планирование (корректировка) планов (этапов проектирования, проектов в целом): формирование деревьев задач по рабочим группам; планирование по срокам и ресурсам проектирования (трудоемкость, число рабочих мест и др.).

2. Контроль этапов проектирования и проектов в целом по срокам и ресурсам проектирования (трудоемкость, число рабочих мест и исполнителей, данных и др.); прерываний в процессе проектирования; указаний руководителей проектов; требований с рабочих мест исполнителей и диспетчера проектов.

3. Принятие решения по: срокам выполнения (плана проектных работ, этапов проектирования, проектов в целом); ресурсам проектирования (трудоемкость, число рабочих мест и исполнителей, данных и др.) для этапов проектирования и проектов в целом; прерываниям в процессе проектирования; указаниям руководителей проектов; по требованиям с рабочих мест исполнителей и диспетчера проектов.

Основные ситуации, по которым возникает необходимость управления (принятия и реализации решений) в соответствии с разработанной стратегией проектирования СУ сложными ТО представлены нижеследующим перечнем:

1. Нарушение сроков исполнения этапов и проекта в целом — по результатам автоматического мониторинга сигналов с рабочих мест проектировщиков.

2. Добавление новых проектов - по указанию руководства проектами.

3. Оперативное изменение рангов проектов - по указанию руководства.

4. Изменение сроков исполнения проектов - по указанию руководства.

5. Прерывание процесса проектирования по причинам: необходимость возврата к предшествующим этапам; недостаток исходных данных для выполнения этапа; недостаточность вычислительных ресурсов; недостаток исполнителей-проектировщиков для реализации отдельных этапов работ;

6. Сокращение сроков выполнения работ - по результатам автоматического мониторинга сигналов с рабочих мест.

7. Невозможность выполнения этапа в намеченный срок - по результатам автоматического мониторинга сигналов с рабочих мест.

8. Необходимость формирования отчетов.

Формирование очередей разработки проектов осуществляется с использованием устанавливаемых уровней их значимости (рангов / = 1,Аг, N - число проектов) каждого из них и последующего их ранжирования (рисунок 3).

Проект 4 |—>| Проект 6*|—*

11 кз Проект 8

«9 ПроектЭ

Г-.иг Ц,

«»¡«■1Я1« г:,

Л7!-. Ч Т1,

Чн.-л и.-псгаэт. ЧгЛ

К^г.пр^.етгт.

Д^о^яч^ия т:,

,1"СГГ>-ЛЫГм -71.. Ч Т1;

ЧжЛО ЮЧКЛЮСГ, ЧгЛ

Дшфлж.

Рисунок 3 — Очередь разработки проектов

К4 Кб ... Ю М

Основные плановые временные показатели рассчитываются программно по результатам предварительно формируемых шкал эталонного распределения времени проектирования по группам и этапам (рисунок 4). В основу создания таких шкал положены результаты предварительного статистического анализа времени выполнения отдельных этапов в различных проектных организациях. Для эффективной реализации решений по корректировке сроков начала и длительности этапов и перестроения очередей в процессе управления процессом проектирования длительности отдельных этапов в исходной шкале эталонного распределения времени проектирования рассчитываются с учетом назначаемого стандартного временного резерва в размере 10% от временных интервалов исходной шкалы эталонного распределения времени. Примеры графической интерпретации формирования очередей с учетом установленных рангов приведены на рисунке 5.

Для всех приведенных выше задач управления при возникновении различных ситуаций были разработаны и реализованы специальные расчетные модули (всего 14), примеры схем которых приведены ниже на рисунках 6, 7.

В рамках комплекса УК-01 реализованы процедуры слежения за состоянием процесса проектирования, отображаемых в оперативных массивах БД комплекса.

К основным расчетным формулам, используемых при реализации предложенных алгоритмов решения задач управления процессом проектирования СУ ТО относятся:

Изменение сроков разработки /-го проекта (8):

Л7) = Т2* -Т2:, (8)

где Т2, Т2, - соответственно действующая и новая дата окончания /-го проекта.

Полное время завершения работ по >-му проекту (9):

= X^ + СX » = (19-«'),19, (9)

19-п,

где (' = 1,19) - длительность отдельных этапов /-го проекта; /„'-установленный временной запас я-го этапа /-го проекта; п] - номер завершенного этапа; 19 - число этапов проектирования.

Расчетная длительность отдельных этапов (10). (11):

тп, = Ты + Д7; ■ п = (19-и/),19, если Т2, >Т2]- (10)

ТП, = Т„, п = (19 -п,),\ 9, если Т2, <Т2'. (II)

где

Устанавливаемый (новый-) временной запас /-го проекта (12): /;= ХС И = (19-и*),19.

19-я,'

Расчетное значение временного запаса п-го этапа ¡-го проекта (13): ^ =4 -ДГ, « = (19-«,*), 19, если

Полное время завершения работ по ¿-му проекту при новом (расчетном) значении

(13)

временного запаса по и-му этапу ¿-го проекта (14): 19

5,= « = (19-«,.),19,

19-и'

(14)

Изменение времени разработки ¿-го проекта по причине возврата к п, - му этапу

051:

Л7)=Г-5Х., « = 1,Я, 1

(15)

где и, - номер этапа ¿-го проекта, к которому осуществляется возврат; г - текущее время, с.

П|1ПФЕШЮ1ИПЬНЫС 1Г1уЛЕи П|ЮСК1Н|1ПВНП№В

ф ф Й в в Ф ^ ф

11Л ЮЛ гИЛ 56Л ЛлЛ ЧИ 871) НЮ.0

Распределение времени пи профессиональным группам приекшрокшиков

ГгаЯПУ- Этапы проектирования

ии :ил <:л

Распрелепение времени пп нал Группа 3. Этапы проектирования

> -. "."'У® _

пл 1:я :йл -юл бол -:л юо. «о ол

Распределение времени пи этапам Распреяя!

I руппа Ь. Этапы проектирования

_

Распределение времени по этапа

Группа /. Этапы проектирования

©............

Группа ?. Этапы проектирования

в

ил к

Распределение вымени пп папа

Группа 4. Этапы проектирования

©

I руппа В. Этапы проектирования

100. "о ил ил

апаи Распределение времени пи

Группа 8. Этапы проектирч

•Я

ИИ). •* 1111

Длительность, сут

Чжло ГСШЛМИТ, Ч£Л

Дата окончат 1Л,,

Дпкгсльмхть. сут. Т1',„

Чюю жпажлт. чел А»

Дата огончакга 'Л II

Т11,,, ш) Длительность. стт-

Дат» огокчаюа тА„ Дега онзхчаиня

Рисунок 4 — Шкала эталонного распределения времени проектирования по группам и этапам проектирования

Рисунок 5 — Фрагменты представления очередности выполнения проектных работ по группам

Рисунок 6 - Процедура М6-2 распределения Рисунок 7 - Укрупненная схема модулей М9 времени по оставшимся этапам проектирования корректировки временных показателей по последующих проектов с учетом исходного последующим проектам с учетом имеющихся распределения и установленных временных временных ресурсов запасов

запасов

Проведенный анализ особенностей, преимуществ, недостатков и реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ сложными ТО показал, что сегодня они пока не могут служить полноценной заменой современным УК САПР по причине отсутствия в них совершенных средств разработки развитых интерфейсов, а также механизмов оптимизации выполнения workflow-процессов. Делается вывод о необходимости проведения собственной разработки с помощью существующих сред программирования, которые позволяют кодировать сложные алгоритмы, работать с БД и строить разветвленные интерфейсы. Примерами таких сред могут служить Embarcodeo RAD Studio ХЕЗ, C++Builder и прочие среды.

В третьей главе «Разработка и реализация программного комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО» приведены результаты разработки и реализации программного комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

По результатам проведенного системного анализа процесса проектирования СУ сложными ТО и методологических аспектов его автоматизации был сделан вывод о целесообразности использования концепции управления процессом проектирования, осуществляемом на двух уровнях. Логика взаимодействия комплекса УК-01, САПР СУ ТО и пользователей УК-01 приведены на рисунке 8.

УК-01

[| Диспетчер проектов УК

Управляющая программа УК

САПР СУ ТО

Руководитель фулпы проектировщиков

Управляющая

программа САПР СУ ТО

Рисунок 8 — Логика взаимодействия комплекса УК-01 и САПР СУ ТО

На нижнем уровне, реализуемом в рамках САПР СУ ТО, процесс управления проектирования направлен на реализацию всех этапов автоматизированного проектирования в соответствии с процессуальной схемой.

На верхнем уровне управление осуществляется программным комплексом УК-01, включающим совокупность программных модулей, реализующих решение задач добавления проектов в БД и управления ими (запуск, остановка, изменение приоритетов, сроков выполнения и т.п.), построения деревьев задач для рабочих групп, генерации рекомендаций по управлению проектами, генерации отчетов, редактирования настроек работы УК-01 и др. Принятая концепция построения сложных программных систем и разработанное методологическое обеспечение позволили выделить основные режимы работы комплекса УК-01, определившие направление работ при создании его внутрисистемных и пользовательских интерфейсов: 1) режим работы с БД; 2) режим проведения расчетов; 3) режим диагностики расчетов; 4) режим визуализации результатов расчетов и работы с отчетами, 5) режим графической модификации рассчитанных переходных процессов, а также режимы, обеспечивающие широкий набор сервисных функций разрабатываемой подсистемы: 6) режим настройки; 7) режим помощи.

Анализ различных программных сред, их преимуществ и недостатков показал, что наиболее эффективным инструментом разработки при создании программного

комплекса УК-01 является среда Delphi, конкретно CodeGearDelphi 2010, что объясняется функциональной достаточностью этой среды для решения поставленной задачи, а также уровнем накопленного автором опыта работы с используемым в Delphi языком программирования и практических навыков использования этой среды при разработке различных программных продуктов.

Был сделан вывод о приемлемости применения хорошо зарекомендовавших себя структурных методов при использовании объектно-ориентированного программирования, а также CASE-средств, их реализующих.

Разработанная методология управления процессом проектирования СУ в рамках САПР позволила выявить структуру средств комплекса УК-01. Комплекс представляет собой множество взаимозависимых объектов, характеризующихся набором атрибутов, определяющих его состояние, и набором операций, которые можно применять к этому объекту. Каждый объект имеет строго определенный интерфейс. Объекты одного класса имеют одинаковый интерфейс.

УК-01 включает следующие функциональные подсистемы (рисунок 9):

«.Диснетчирование» реализует алгоритмы решения основных задач УК-01: добавление проектов и управления ими (запуск, остановка, изменение приоритетов, сроков выполнения и т.п.), генерирование отчетов, построения деревьев задач.

«Поддержка диспетчирования» реализует сложные алгоритмы, используемые для генерации рекомендаций по управлению проектами.

«Рабочие группы» отображает деревья задач для рабочих групп и позволяет получать информацию о ходе выполнения задач от них.

«Администрирование» содержит интерфейсы для редактирования настроек работы УК и управления системными параметрами.

Каждая подсистема имеет хорошо определенный (внешний) интерфейс с другими подсистемами системы и разрабатывается независимо от остальных подсистем. Подсистемы могут взаимодействовать друг с другом либо как клиент и поставщик (клиент-сервер), либо как сопрограммы. Подсистемы УК-01 взаимодействуют между собой с помощью общих переменных (общей памяти), операционных массивов и БД. Подсистемы выделяются по функциональному принципу и состоят из взаимосвязанных модулей, которые реализованы в соответствии со сложившимися требованиями объектно-ориентированного программирования. Все модули комплекса УК-01 могут самостоятельно использоваться при решении отдельных задач управления процессом проектирования. В главе рассмотрены основные принципы и особенности реализации отдельных модулей. Общая структура УК-01 представлена на рисунке 10.

УК-01 функционирует с использованием оригинального информационного обеспечения (ИО). В рамках решаемой задачи таблицы и поля ИО являются статическими ввиду определенности решаемой задачи и четкой структуры данных. Модель БД - реляционная, создаваемая по архитектуре ANSI-SPARC. Укрупненная схема работы комплекса УК-01 приведена на рисунке 11. Все подсистемы имеют одинаковую архитектуру (рисунок 12).

Проведены исследования особенностей реализации, преимуществ и недостатков известных технологий доступа к данным с учетом требований быстродействия и надежности при создании и реализации УК-01 для САПР СУ ТО. По результатам проведенного анализа были приняты решения: 1) использовать набор библиотек прямого доступа к СУБД ZeosDBO для обеспечения взаимодействия с такими СУБД как MS SQL Server, MySQL, Oracle, InterBase и другими, поддерживаемыми данной API: 2) Использовать ODBC для реализации возможности подключения СУБД, не поддерживаемых ZeosDBO.

Подсистема «Диспетчированиев

Подсистема

«Рабочие группы»

Полсмаена «Поддержка диспетчирования»

Подсистема «Администрирование«

Подсистема

«Авторизация»

; IliBHMHlliH

вишюаи _юший

ННйнЩИВ Г В»Ш1мИИ

Рисунок 10 - Общая структура программного комплекса УК-01

Рисунок 9 - Основные функциональные подсистемы комплекса УК-01

Архивы САПР СУ

fe-' « -Д

"дав

Е

«г

( Начало J

Фармхрвыиняпдшккдяя I Р«(*1КХ грГЖ* (постромеяс I

(KpNiTMne)wpi>Hi >wi I

Проектная группа-1

ь®©

Проектная группв-М

ВВОД ДАННЫХ

(ЦВИ«,!|И1ХЧП.»

якиг ■» крн»ргт-

В км» к хяжшжкренте ■кет*» h»»k*w»«x я»»гр.

УКЛ1САПР

* I

©

Ik,. - rim

т |

т-/ } .-3"! | "I

шшх хяк куыаедуг

}

ПРЕДСТАВЛЕНА ДАННЫХ И ОРГАНИЗАЦИЯ Г4^ ДИАЛОГА

IX

i УПРАВЛЕНИЕ 1 комплексом УК-01

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С БАЗОЙ ДАННЫХ

| ОБРАБОТКА ДАННЫХ |

О It... J

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

Л

[Подсистема 11 [Подсистема^ | Подсистем» з| "'• [Падсистеыа^1|

Рисунок 12 — Логика работы подсистемы программного комплекса УК-01

Рисунок 11 — Укрупненная схема работы управляющего комплекса УК-01

В результате проведенных исследований по выбору СУБД для УК-01 приняты к использованию ряд рекомендуемых СУБД (MSSQL. MySQL, Oracle, FireBird) с возможностью настройки в случае необходимости на работу с прочими СУБД.

Помимо оригинальных программных модулей в УК-01 были использованы сторонние компоненты, не входящие в CodeGearDelphi 2010: компоненты AlphaControls из серии AlphaSkin для построения графического интерфейса, стилизованного под MSOffice 2007; библиотеки ZEOS Library для доступа к серверам БД; компонент SecureLogin, реализующий механизмы авторизации и др.

УК-01 предполагается использовать в многопользовательском режиме с использованием клиент-серверной технологии. В главе анализируются основные (фоновые и интерактивные) режимы УК-01.

Проведенный анализ существующих подходов к разработке пользовательского интерфейса позволил выбрать подход, заключающийся в том, чтобы на основе метаинформации о структуре и содержании элемента и его связей с другими информационными элементами динамически формировать пользовательский интерфейс подсистемы для решения стандартных задач взаимодействия с пользователем. Система становится гибкой к расширению и модификации. Примеры пользовательских интерфейсов приведены на рисунке 13.

<ь1

Рисунок 13 — Интерфейсные окна работы в интерактивном режиме:

Ход выполнения проектов (1); Формирование графика работ (2); Календарный план на разработку (3)

В главе приводятся результаты разработки схемы функционирования программного комплекса УК-01.

В четвертой главе проведена оценка эффективности разработанного программного комплекса УК-01. Ожидаемый экономический эффект от внедрения комплекса УК-01 в соответствии с полученными актами принятия к использованию результатов проведенных исследований в среднем составляет 1680,0 тыс. руб. в год для 1 системы проектирования (4 проекта).

В приложениях приведены фрагменты таблиц БД, основные выходные формы и фрагменты программных кодов ключевых модулей программного комплекса УК-01.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе работы, которые сводятся к следующему:

1. Проведен системный анализ основных принципов, особенностей проектирования СУ сложными ТО и основных проблем его автоматизации; поставлена задача разработки системы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО и сформированы принципы эффективного взаимодействия средств проектирования СУ ТО в условиях ее эволюционного развития.

2. Проведены системные исследований и декомпозиция процесса проектирования СУ сложными ТО на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессионально-направленным группам проектировщиков, что позволило упростить постановку и решение задачи автоматизированного управления процессом проектирования СУ. Проведен

системный анализ задач, решаемых в группах, и проанализированы методологические аспекты их реализации.

3. Предложена и развита методология ситуационного управления процессом проектирования СУ сложными ТО. Разработаны и реализованы машинные алгоритмы автоматизированного управления (планирования, контроля, учета и принятия решений) процессом проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов в соответствии с выбранным методом ситуационного управления.

4. По результатам проведенного анализа реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО разработана структура средств, информационное и специальное программное обеспечение комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, ориентированного на использование в рамках специализированных проектных организаций, и алгоритмы его функционирования в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

5. Программный комплекс УК-01 принят к использованию в ООО «КИТ» (г. Калининград), ООО «МЦЭ-Инжиниринг» (г. Москва), НПК «Югцветметавтоматика» (г. Владикавказ). Проведена оценка экономического эффекта от внедрения разработки, составляющего в среднем 1680,0 тыс. руб. в год для 1 системы проектирования при одновременной разработке 4 проектов.

6. Отдельные теоретические положения, а также алгоритмы и машинные программы, представленные в диссертационной работе, используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет (КГТУ)» при подготовке специалистов в области проектирования СУ ТО.

В приложениях приведены графические материалы, структурированные по главам диссертации, структура основных информационных массивов БД УК-01, примеры выходных форм комплекса УК-01, фрагменты исходного кода главного модуля программного комплекса УК-01, документы, подтверждающие апробирование и принятие к использованию результатов исследования.

ПУБЛИКАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК

1. Айрапетов, Д.А. Повышение эффективности взаимодействия средств САПР САР ТО в условиях ее эволюционного развития [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Естественные и технические науки. - М: Спутник+. - 2010. - № 6 (50). - С. 544-551. (Соискатель 50%)

2. Айрапетов, Д.А. Методологические аспекты оптимального проектирования систем управления сложными технологическими объектами с использованием эволюционной стратегии синтеза [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Известия Волг. ГТУ: межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ. - 2011. - № 14 (87). -С. 177-189. (Соискатель 50%)

3. Айрапетов, Д.А. Исследование и выбор концепции распределения и использования ресурсов проектирования для САПР систем управления сложными технологическими объектами [Текст] / Д.А. Айрапетов // Известия Волг. ГТУ: межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ. - 2012 - № 7 (94). - С. 196-204.

4. Айрапетов, Д.А. Об одном подходе к построению системы управления процессом проектирования в рамках САПР СУ сложными технологическими объектами (Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Известия Волг. ГТУ: межвуз. сб. науч. ст. - Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ. - 2012. - № 15(102). - С. 112-118. (Соискатель 60%)

5. Айрапетов, Д.А. Программный комплекс автоматизированного управления процессом проектирования в рамках САПР СУ технологическими объектами [Текст] / Г.Г. Арупянц, Д.А. Айрапетов // Научный аспект. - Самара: «Аспект». - 2013. - №1 Технические науки. - С. 193-203. (Соискатель 60%)

ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ, СБОРНИКАХ И МАТЕРИАЛАХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОНФЕРЕНЦИЙ

6. Айрапетов, Д.А. Об одном подходе к организации взаимодействия средств САПР САР технологических параметров сложных объектов [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Материалы VIII Юбилейной международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2010».- Калининград: КГТУ. - Октябрь 2010. -С. 359-362. (Соискатель 60%)

7. Айрапетов, Д.А. К вопросу о создании эффективной системы автоматизированного обучения пользователей сложных программных комплексов [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А Айрапетов // Балтийский финансовый журнал. -Калининград: БИЭФ. -2010. -№1 (3). -С. 170-180. (Соискатель 50%)

8. Айрапетов, Д.А. Концепция построения САПР СУ технологическими объектами [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Материалы IX международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2011». - Калининград: КГТУ, - Октябрь 2011. - С. 63-67. (Соискатель 60%)

9. Айрапетов, Д.А. Проектирование систем управления сложными технологическими производствами как объект системного анализа [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Балтийский финансовый журнал. - Калининград: БИЭФ. -2011. - №1 (5).-С. 137-147. (Соискатель 50%)

10. Айрапетов, ДА. К вопросу об управлении процессом проектирования в рамках САПР СУ сложными технологическими объектами [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Материалы X международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2012». - Калининград: КГТУ. - Октябрь 2012. -С. 148-151. (Соискатель 50%)

11. Айрапетов, Д.А. Алгоритмизация процесса управления проектированием систем управления технологическими объектами в рамках САПР [Текст] / Д.А. Айрапетов, Г.Г. Арунянц // Сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития науки и образования». - Часть III. Мин-во обр. и науки. - М.: АР-Консалт. - Апрель 2013.

- С. 80-86. (Соискатель 60 %)

12. Айрапетов, Д.А. Применение ВРМ-систем для управления процессом проектирования в рамках САПР [Текст] / Г.Г. Арунянц, Д.А. Айрапетов // Материалы XI международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2013».

- Калининград: КГТУ. - Сентябрь 2013. - С. 51-54. (Соискатель 70%)

Подписано в печать 31.10.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж 65 экз. Заказ 888 - 2013 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в ФКУ «ЦХиСО УМВД России по ВО» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЛИНИНГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На права^руксшиси

04201456252

АЙРАПЕТОВ ДАВИД АЛЬБЕРТОВИЧ

АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Арунянц Г.Г., д.т.н., профессор

Калининград 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................4

Глава 1. АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ АСПЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ........................10

1.1. Задачи и принципы проектирования СУ сложными ТО........................................................10

1.2. Формализация задачи проектирования СУ сложными ТО....................................................15

1.3. Особенности и основные задачи автоматизации проектирования СУ сложными ТО.......21

1.4. Основные выводы и постановка задачи исследования...........................................................25

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОЛОГИИ И РАЗРАБОТКА СПЕЦИАЛЬНОГО АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУ СЛОЖНЫМИ ТО.........................................................................27

2.1. Проектирование СУ сложными ТО, как объекта системного анализа.................................27

2.2. Методологические аспекты оптимального проектирования СУ сложными ТО с использованием эволюционной стратегии синтеза.......................................................................36

2.3. Разработка методологии управления процессом проектирования СУ сложными ТО........55

2.4. Разработка специального алгоритмического обеспечения управления процессом проектирования.................................................................................................................................75

2.5. Анализ особенностей и реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО в рамках САПР......................................................................82

2.6. Основные выводы по главе 2....................................................................................................87

Глава 3. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА УК-01 АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В РАМКАХ САПР СУ СЛОЖНЫМИ ТО....................................................................................88

3.1. Формирование общих требований и выбор методологии разработки комплекса УК-01 ...88

3.2. Разработка общей структуры и архитектуры программного обеспечения

комплекса УК-01...............................................................................................................................98

3.3. Основные решения по разработке информационного обеспечения, пользовательских интерфейсов и общего алгоритма функционирования комплекса УК-01.................................113

3.4. Основные выводы по главе 3..................................................................................................127

Глава 4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА УК-01...............................................................................129

4.1. Оценка эффективности промышленного использования.....................................................129

4.2. Внедрения результатов исследования в промышленности..................................................133

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................................................................134

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ...........................................136

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ..............................................................151

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СТРУКТУРА ОСНОВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

МАССИВОВ БД УК-01................................................................................................................193

ПРИЛОЖЕНИЕ В. НЕКОТОРЫЕ ВЫХОДНЫЕ ФОРМЫ ПРОГРАММНОГО

КОМПЛЕКСА УК-01...................................................................................................................199

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ФРАГМЕНТЫ ИСХОДНОГО КОДА ГЛАВНОГО МОДУЛЯ

ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА УК-01...............................................................................203

ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ДОКУМЕНТЫ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ АПРОБИРОВАНИЕ И ПРИНЯТИЕ К ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................210

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования и степень се разработанности

Наряду с возросшей в последнее время потребностью во все более сложных технических системах, удовлетворяемой по мере развития методов и средств как физической реализации систем, так и проектирования, появлением широкой номенклатуры приборов и средств автоматизации, быстродействующей вычислительной техники и совершенных математических методов переработки информации, в корне изменивших системы управления (СУ), определилась тенденция к быстрому обновлению систем. Сложность современных СУ сложными технологическими объектами (ТО) сегодня требует принципиально новых подходов и систем их проектирования, основанных на современных программно-технических средствах и развитых информационных технологиях.

Основной проблемой в области проектирования СУ сложными ТО является создание методов, рассчитанных на использование ЭВМ и принципов системного анализа. Системный подход в настоящее время становится одним из центральных моментов при проектировании сложных объектов и, в том числе СУ ТО, позволяющим выделять основные подсистемы исследуемого объекта; формализовать задачи, цели и функции этих подсистем и механизмы связей между ними; разрабатывать альтернативные структуры СУ и намечать последовательность действий по выбору оптимальных вариантов, по реализации проектных решений и оценке результатов их использования.

Все это определяет необходимость использования новых принципов проектирования, позволяющих комплексно решать эту проблему, разработки и внедрения нового инструментария проектировщика - системы автоматизированного проектирования (САПР). При этом, естественно, возникают новые задачи, для решения которых нужны новые подходы, принципы, модели и широкое применение диалога проектировщика с ЭВМ.

Принято считать, что проектирование СУ сложными ТО можно представить в виде последовательной схемы получения решений, включающей основные этапы: выбор структуры и параметров ТО; синтез и анализ СУ, исходя из целей функционирования ТО и СУ. Так как процесс проектирования представляет собой получение, сбор, передачу и переработку информации для принятия решений, направленных на устранение отклонений от цели проектирования, то он может рассматриваться как процесс управления по замкнутому циклу.

Задачи проектирования СУ отличаются от задач проектирования технических устройств других видов большим удельным весом так называемых задач динамического расчета, связанных с выбором структуры и параметров, обеспечивающих заданное качество и точность управления или регулирования. Однако в системах проектирования СУ ТО помимо задач

динамического расчета приходится решать задачи, связанные с разработкой СУ, удовлетворяющих целому ряду дополнительных требований, например, по надежности, стоимости и др. Задача проектирования по существу является многокритериальной, причем некоторая часть критериев, как правило, не формализована полностью. Это вызывает необходимость решения большого круга проблем, связанных с разработкой и усовершенствованием вычислительных методов, алгоритмов и процедур, а также с «включением» человека-оператора в САПР СУ.

Решение проблемы оптимального проектирования СУ сложными ТО в рамках САПР СУ предполагает наличие развитых средств имитационного моделирования функционирования системы в условиях действия возможных возмущений, позволяющего заменить эксперимен т с реальным процессом экспериментом с математической моделью этого процесса на ЭВМ. При этом имитационная модель представляется алгоритмом, воспроизводящим существенные свойства исследуемого процесса и реализуемым на ЭВМ.

Современные системы проектирования являются сложными программно-техническими комплексами, предназначенными для одновременной работы большого количества специалистов-проектировщиков. Зачастую в таких системах производится одновременная разработка нескольких проектов, при этом количество привлекаемых разработчиков может исчисляться десятками и даже сотнями человек. Система проектирования должна представлять собой не только инструменты для разработки требуемой технической документации и проектных решений, но и иметь в своем составе средства для обеспечения эффективной одновременной работы большого количества пользователей. Подобные средства могут отличаться в зависимости от назначения самой системы проектирования.

На основании анализа применяемых способов организации коллективной работы в современных САПР можно сделать некоторые выводы и предложения по эффективной организации труда инженеров-проектировщиков в рамках САПР.

Коллективное проектирование позволяет участникам процесса работать одновременно над различными частями проекта, а управление самим ходом процесса разработки проектов в рамках САПР является задачей, решение которой осуществляется постоянно при условии непрерывной работы коллектива проектировщиков - разработчиков СУ конкретными объектами. Процесс в этом случае рассматривается как динамическая сторона управления, которая характеризуется изменениями, происходящими под воздействием внутренней и внешней среды в различные отрезки времени.

В составе современных систем проектирования (в том числе и САПР) предполагается наличие управляющего комплекса (УК), отвечающего за соблюдение установленного порядка ведения технологического процесса проектирования. В зависимости от конкретной

многопользовательской системы проектирования УК может выполнять различные функции, но при этом является неотъемлемой частью самой системы.

Решение проблем эффективного управления процессом проектирования СУ сложными ТО следует ожидать лишь при использовании системных методов исследования.

Своевременность и актуальность решаемых в настоящей работе проблем заключается в том, что в ней поставлена и решена задача системного исследования и выбора метода, разработки алгоритмов и программного комплекса автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, обеспечивающего параллельный инжиниринг, контроль версий рабочих данных и хода проектирования, реализацию одновременной разработки нескольких независимых проектов и многое другое.

Вопросам проектирования СУ сложными ТО посвящены работы авторов: Арунянца Г.Г., Ланцова В.Н., Нореикова И.П., Рутковского А.Л., Свечинского В.Б., Смилянского Г.Л., Солодовникова В.В., Шестихина О.Ф., Govind R., Morari M., Powers G.I., Stephanopoulos G., Wilson I.D. и др. Вопросам создания систем обработки информации посвящены работы авторов: Аракелян С.М., Зайцев И.Д., Костров A.B., Кравченко Т.К., Краснощеков П.С., Окунев Ю.Б., Садыков С.С., Телков Ю.К. и др.

Объектом исследования являются процессы и методология проектирования систем управления сложными технологическими объектами.

Предметом исследования являются методы и механизмы решения проблемы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, ориентированного на условия коллективной работы специалистов-проектировщиков и обеспечения одновременной разработки нескольких независимых проектов.

Цели и задачи

Целью настоящей работы является разработка алгоритмов и программного комплекса, повышающих эффективность автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач:

1. Системный анализ основных принципов, особенностей проектирования СУ сложными ТО и основных проблем его автоматизации; исследование и постановка задачи разработки системы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

2. Исследования методологической основы управления процессом оптимального проектирования СУ сложными ТО с использованием эволюционной стратегии синтеза и формирование принципов эффективного взаимодействия средств САПР СУ сложными ТО в условиях ее развития.

3. Исследование и выбор метода, разработка специального алгоритмического обеспечения автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

4. Анализ особенностей и реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО. Анализ и выбор методов и средств разработки специального программного обеспечения для автоматизированной системы управления процессом проектирования СУ ТО.

5. Разработка структуры средств, информационного и специального программного обеспечения комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

6. Выбор метода и анализ эффективности функционирования разработанного программного комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО.

Научная новизна работы:

1. По результатам проведенных системных исследований выполнена декомпозиция процесса проектирования СУ сложными ТО на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, позволившая упростить постановку и решение задачи управления процессом проектирования.

2. Разработаны и реализованы машинные алгоритмы автоматизированного управления (планирования, контроля, учета и принятия решений) процессом проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов в соответствии с выбранным методом ситуационного управления.

3. По результатам анализа реальных возможностей применения ВРМ-систем для управления процессом проектирования СУ ТО разработана структура средств, информационное и специальное программное обеспечение комплекса УК-01 автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО и алгоритмы его функционирования.

Теоретическая н практическая значимость работы:

1. Предложенный подход к организации процесса проектирования СУ сложными ТО с использованием результатов его декомпозиции на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, упрощает постановку и решение задачи управления.

2. Разработанные алгоритмы принятия решений повышают степень автоматизации процесса управления проектированием СУ ТО и легко реализуются в рамках разработанного программного комплекса УК-01.

3. Разработанный и реализованный программный комплекс УК-01, ориентированный на использование в рамках специализированных проектных организаций, обеспечивает повышение эффективности процесса проектирования СУ сложными ТО в условиях одновременной разработки нескольких независимых проектов.

4. Разработанный программный комплекс УК-01 принят к использованию в ООО «МЦЭ-Инжиниринг» (г. Москва), ООО «КИТ» (г. Калининград), ЫПК «Югцветметавтоматика» (г. Владикавказ). Экономический эффект от внедрения разработки для 1 организации в среднем составляет 1 680,0 т. руб. в год.

5. Отдельные теоретические положения, а также алгоритмы и машинные программы, представленные в диссертационной работе, используются в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет (КГТУ)» при подготовке специалистов в области проектирования СУ ТО.

Методология и методы исследования

Проводимые исследования базировались на положениях технической кибернетики, методах синтеза и анализа СУ технологическими объектами, методах и приемах исследования сложных технологических объектов: системный анализ, математическое моделирование; совокупность методов и приемов анализа и обработки информации: монографический, сравнительный, динамический, группировок, расчетно-конструктивный, индексный.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты проведенного системный анализ основных принципов, особенностей проектирования СУ сложными ТО и основных проблем его автоматизации; поставленная задача разработки системы автоматизированного управления процессом проектирования СУ сложными ТО и предложенные принципы эффективного взаимодействия средств проектирования СУ ТО в условиях ее эволюционного развития.

2. Подход к организации процесса проектирования СУ сложными ТО с использованием результатов его декомпозиции на взаимосвязанные по конечным результатам укрупненные этапы (задачи), соответствующие профессиональным группам проектировщиков, упрощающий постановку и решение задачи управления.

3. Разработанные алгоритмы принятия решений, реализующие задачи ситуационного управления процессом проектирования СУ сложными ТО, повышающие степень его автоматизации.

4. Разработанный и реализованный программный комплекс УК-01, ориентированный на испол�