автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Инструментальные средства разработки программного обеспечения мониторинга с мультимедийным отображением информации

На правах рукописи

Извеков Ярослав Олегович

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАЗРАБОТКИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА С МУЛЬТИМЕДИЙНЫМ ОТОБРАЖЕНИЕМ ИНФОРМАЦИИ

05.13.11 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных

сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск 2004

Работа выполнена в Бурятском государственном университете и Восточно-Сибирском государственном техническом университете.

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН Васильев Станислав Николаевич.

Научный консультант:

доктор физико-математических наук, доцент Ширапов Дашадондок Шагдарович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Попков Владимир Константинович,

кандидат технических наук, доцент Вейсов Евгений Алексеевич.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский институт

информатики и автоматизации РАН.

Защита диссертации состоится 11 мая 2004 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 003.021.01 при Институте динамики систем и теории управления СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, Лермонтова, 134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института динамики систем и теории управления СО РАН.

Автореферат разослан 09.04.2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета I д.т.н.

Г.А. Опарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В различных сферах деятельности человека, в которых используются информационные технологии, возникает потребность в эффективной разработке программного обеспечения (ПО) систем мониторинга объектов наблюдения (ОН) и мультимедийного представления получаемой информации — отображения данных. Так, недооценка важности построения эргономичного человеко-машинного интерфейса и, вообще, недооценка человеческого фактора с годами становится все более определяющей причиной возникновения аномальных (нештатных) ситуаций и вызываемых ими рисков неприемлемого ущерба.

В инструментальных средствах эффективной разработки указанного ПО нуждаются электроэнергетические системы, системы тепло- и водоснабжения, системы мониторинга лифтового хозяйства, системы автоматизации научных исследований и экспериментов, распределенные системы сбора сейсмических данных, системы интернет/интранет-опроса распределенных баз данных, системы интеллектного управления уровнем комфорта и экономичности жилых помещений (концепция т.н. "умных домов"), системы диспетчерского контроля за движением транспортных средств и, вообще, системы поддержки так или иначе структурированных информационных потоков, их приема, анализа и эргономичного человеко-машинного интерфейса. Последние системы далее для краткости именуются системами компьютерного мониторинга (СКМ).

В данной работе, наряду с использованием понятия объекта мониторинга (включая программно-аппаратные средства регистрации количественных и/или качественных параметров), вводится понятие пунктов использования данных (т.н. узлы), связанных с объектом мониторинга и/или между собой различными физическими линиями связи. В диссертации различаются три типа пунктов использования данных:

• Пункты Сбора и пересылки Данных (ПСД),

• пункты выделения данных, характеризующих состояние повышенной аномальности объекта мониторинга, - Пункты выделения Аномальных Данных (ПАД),

• Пункты мультимедийного Отображения Данных (ПОД).

Использование традиционных технологий и, в частности, универсальных языков программирования при разработке ПО СКМ вызывает удлинение сроков и повышение стоимости разработки, хотя при квалифицированном проектировании и программировании приводит к высокооптимизированному продукту. Необходимость компромисса между оптимальностью решения и высокой эффективностью (в частности, технологичностью) его получения вынуждает разрабатывать инструментальные средства создания ПО СКМ, доступные, в том числе, и для непрограммирующих (конечных) пользователей.

Использование существующих систем разрешения указанного компромисса предполагает прохождение разработчиком следующих этапов типового проектирования и программной реализации проекта:

• проектирование архитектуры СКМ в целом как совокупности узлов,

• проектирование архитектуры каждого узла,

• проектирование связей между узлами,

• разработка функционального ПО узлов.

Однако, будучи пригодными для проектирования СКМ произвольной сетевой структуры, известные системы (например, TгaceMode, InTouch, Genesis32, Citect) обладают следующими недостатками. Они, с одной стороны, в силу своей универсальности, в конкретных задачах порой требуют неоправданно завышенных "накладных расходов", а, с другой стороны, недостаточно удобны и производительны по причине изначального отсутствия учета в них гетерогенности (разнородного типажа) узлов и, вследствие последнего, нуждаются в прохождении всех указанных этапов.

Цель работы.

Основной целью диссертации является исследование возможностей и создание инструментальных средств разработки ПО СКМ (с мультимедийным отображением состояния объекта мониторинга), включая как проектирование, так и генерацию программных кодов.

Методы исследования...

При проведении исследований и разработок в диссертационной работе использованы методы системного анализа, теории формальных грамматик, теории реляционных баз данных, компьютерного моделирования, объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

• Технология разработки систем компьютерного мониторинга, в том числе модель предметной области (как совокупность типизированных узлов и связей между ними), язык спецификаций, позволяющий задавать структуру проектируемой СКМ, алгоритмы функционирования пунктов мониторинга трех типов (ПСД, ПАД и ПОД) и использующая их система алгоритмов формирования проекта;

• инструментальные средства Проектирования И Программирования Систем компьютерного мониторинга (ПИПС) - на основе указанной технологии и с автоматической генерацией программного обеспечения создаваемых систем компьютерного мониторинга;

• алгоритмы сжатия информации и визуального отображения состояния объекта мониторинга в реальном временном масштабе, т.е. в темпе протекания процессов.

Практическая ценность.

• Практическая полезность разработанных инструментальных средств ПИПС состоит в повышении эффективности процессов проектирования и генерации ПО СКМ, а именно, в повышении степени автоматизированности процессов проектирования и обеспечении автоматизации процесса генерации ПО СКМ и, как следствие, качества и надежности программных систем;

• высокая эргономичность получаемых человеко-машинных интерфейсов в узлах типа ПОД обеспечивает высокую эффективность использования данных в реальном времени;

• разработанные средства сжатия информации обеспечивают регистрацию быстропротекающих процессов в реальном времени;

• обеспечивается повышение эффективности инструментальных средств:

1) уменьшением количества указанных выше этапов типового проектирования посредством создания ПО проектирования архитектуры на основе специального языка спецификаций структуры СКМ,

2) упрощением реализации отдельных этапов типового проектирования посредством типизации узлов и использования их функционального ПО в виде заранее разработанного, функционально полного набора стандартных компонентов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались автором и обсуждались на:

• 1-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, 2000 г.;

• 2-м Международном научно-техническом семинаре "Современные средства телемеханики, организация рабочих мест оперативного персонала и щитов управления в электроэнергетике", Москва, 2001 г.;

• 2-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, 2001 г.;

• 3-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, 2002 г.;

• Всероссийской конференции "Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы", Улан-Удэ, 2003 г.;

• 2-й Международной научно-практической конференции "Энергосберегающие и природоохранные технологии", Улан-Удэ, 2003 г.;

• научном семинаре ИДСТУ СО РАН (науч. рук. чл.-к. РАН С.Н.Васильев), 2004 г.;

• IV Байкальской школе-семинаре "Математическое моделирование и информационные технологии", Иркутск, 2004 г;

• семинарах Бурятского центра информатизации Байкальского региона при Б ГУ (науч. рук. чл.-к. РАН С.Н.Васильев), Улан-Удэ, 2001 - 2004 г.г.

Имеются акты об использовании разработанных инструментальных средств для создания СКМ Восточных электрических сетей ОАО "Бурэнерго" и СКМ функционирования энергоподстанции на приисках ОАО "Бурятзолото" в Самарте, а также в учебных процессах Бурятского и Иркутского госуниверситетов. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Из результатов, содержащихся в этих публикациях, в диссертацию включены только результаты, полученные лично соискателем. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 113 страниц основного текста, рисунков - 32, таблиц - 3, список литературы содержит 72 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности работы, формулировку цели исследований, краткое содержание работы, основные научные результаты, выносимые на защиту.

В главе 1 рассмотрены известные инструментальные средства создания ПО СКМ, сделан их сравнительный анализ с точки зрения типовых характеристик и, в том числе, наличия средств автоматизации процесса проектирования, а также с точки зрения их программно-аппаратных платформ, эксплуатационных и стоимостных характеристик.

Возможности автоматизации проектирования, которыми располагают рассматриваемые системы, представляют наибольший интерес, так как повышение степени автоматизированности проектирования составляет один из главных предметов данной работы. Большинство рассмотренных систем располагает, в основном, возможностью создания экранных шаблонов, сохранения частей проекта и повторного их использования в других проектах.

В частности, имеются системы, освобождающие проектировщика от большой доли, порой довольно рутинной, работы, но при этом не исключается необходимость проектирования функционального, алгоритмического обеспечения узлов и детального описания связей между ними. В силу своей универсальности, они обычно требуют в конкретных

задачах неоправданно завышенных накладных расходов , а также недостаточно удобны и производительны, поскольку не учитывают типажа узлов и, вследствие последнего, требуют прохождения всех указанных ранее этапов типового проектирования. Сделан вывод о недостаточной развитости инструментальных средств автоматизации процесса разработки (проектирования и генерации) ПО СКМ.

В главе 2 описывается предлагаемая соискателем технология автоматизации проектирования ПО СКМ. Предложены обобщенная модель предметной области (СКМ) и язык спецификаций для представления модели конкретной проектируемой СКМ. Определены типы узлов (ПСД ПАД, ПОД) и связей.

Типизированные по функциональному назначению узлы являются элементами обобщенной модели СКМ, представленной на Рис.1.

Рис. 1. Обобщенная модель СКМ. Буквы L, О, V (с индексами) соответствуют узлам типа ПСД ПАД, ПОД. Через Ш обозначаются узлы типа ПСД "верхнего уровня".

Pi - информационный поток от ьй "главной ветви" Ш^2,...^к. Lik - к-й узел типа ПСД ьой ветви; аналогично понимаются ОИд - ¡-й узел типа ПАД к-го узла типа ПСД из ьветви.

В соответствии с обозначениями на Рис.1, Н = иШ - узел типа ПСД логически объединяющий функции Ш. Узел V = Ц\1 - узел типа ПОД "верхнего уровня", логически объединяющий функции VI. Фактически узлы Н и V представляют собой узлы, агрегирующие соответственно узлы Ш и VI Предполагается, что связи между узлами типизированы, т.е. принимают значения, определяющие, например, физическую среду связи. В частности, <вм> - модем на выделенной линии, <нм> - нуль-модем, <км> -модем на коммутируемой линии, <рм> - радиомодем, <лс> - локальная сеть, <гс> - глобальная сеть передачи данных (интернет). Слева от знака связи будем располагать обозначение приемника, а справа - источника

информации. Если источников несколько, то они будут разделяться запятыми.

С учетом потребностей задания той или иной конкретной модели СКМ, разработан язык спецификаций. Его грамматика в нормальной форме Бэкуса-Наура имеет следующий, вид: <левая скобка связи>::=< <правая скобка связи>::=> <левая скобка комплекса>::={ <правая скобка комплекса>::=} <разделитель ветвей распределенной СКМ>::=/

<знак связи узла ПСД верхнего уровня и распределенной СКМ>::= =

<узел типа ПСД>::^ (далее для краткости слово "типа" опускаем)

<узел ПАД>:: = 0

<узел ПСД верхнего уровня>::=Н

< узел ПОД >::=У

<тип связи>::=вм|нм|км|рм|лс|гс

<связь>::=<левая скобка связи><тип связи><правая скобка связи> <узел ПОД верхнего уровня>::=< узел ПОД><связь>

< узел ПСД верхнего уровня > <локальная СКМ>:: = [<узел ПОД><связь>]< узел ПСД >[<связь>

<узел ПЛД>]{[,<связь>< узел ПАД >]} <комплекс одного узла ПСД >::=<левая скобка комплекса>

<локальная СКМ><правая скобка комплекса> <комплекс узла ПСД >::=<комплекс одного узла ПСД > {[<связь><комплекс

одного узла ПСД >]} <ветвь СКМ>::=< узел ПСД верхнего уровня ><связь>

<комплекс узла ПСД > <комплекс распределенной СКМ>::=<левая скобка комплекса><ветвь СКМхразделитель ветвей распределенной СКМ> <ветвь СКМ> {[<разделитель ветвей распределенной СКМ><ветвь СКМ>]} <правая скобка комплекса> распределенная СКМ>::=<узел ПОД верхнего уровня >< знак связи узла ПСД верхнего уровня и распределенной СКМ > <комплекс распределенной СКМ> <формула СКМ>::=<распределенная СКМ>|<локальная СКМ>

Правильно построенные, т.е. построенные в соответствии с описанной грамматикой, выражения языка называются формулами.

Рассмотрим примеры формул языка с интерпретацией, а именно, примеры из областей электроэнергетики и диспетчеризацией транспортных потоков, предварительно дав интерпретацию обобщенной модели предметной области.

В электроэнергетике имеет место следующая специфика СКМ. Наличествует один центральный диспетчерский пункт (ЦЦП). Регистрируются и архивируются все текущие данные (в узлах ПСД) и

аномальные (в частности, аварийные) данные (в узлах ПАД). Кроме того, в узлах ПСД осуществляются расчет и архивирование производных данных (коммерческого учета энергоносителей и т.п.). Передача текущей и архивной информации в ЦДП. осуществляется по сети передачи данных. Визуализация текущих данных, формирование отчетов по архивам выполняются в узлах ПОД.

Соответственно, в узлах содержится ПО следующего назначения:

• в узлах ПСД:

1) регистрация данных установившегося режима (при этом периодичность опроса датчиков может быть сравнительно небольшой -0.1-0.5 сек.);

2) обработка команд, получаемых с вышестоящего уровня;

3) получение текущих данных с подчиненных узлов;

4) объединение данных пунктов 1, 3 и передача результирующего потока на вышестоящий уровень;

5) получение файлов аварийных данных с узлов типа ПАД;

6) архивация данных установившегося режима в циклическом архиве в нескольких уровнях;

7) регистрация тревожных событий с разделением этих событий на аварийные и предупредительные; запись информации о событии в архив тревог,

8) расчет производных данных;

9) передача архивов и файлов аварийных данных по запросам на верхний уровень; автоматическая передача новых аварийных - данных на верхний уровень;

• в узлах ПАД:

1) непрерывная регистрация в циклическом буфере аналоговых и/или дискретных данных с большой частотой дискретизации (например, периодичность опроса в электрических сетях - примерно 300-1000 мксек); ожидание аварийного события, при наступлении которого осуществляется запоминание содержимого буфера в виде файла аварийных данных, включающего и предысторию аварии;

2) передача текущих данных и файлов аварийных данных в соответствующий узел типа ПСД;

• в узлах ПОД:

1) показ данных анимированными формами отображения на фоне технологических схем; при этом формы должны иметь несколько визуально различимых состояний, а также давать возможность перехода на списки форм, связанные с текущим состоянием исходной формы;

2) формирование требуемых отчетов по архивам;

• в узлах ПСД "верхнего уровня":

1) объединение информационных потоков, передаваемых по главным ветвям сети;

2) публикация этой информации в локальной сети предприятия;

3) внутреннее управление подчиненными узлами типа ПСД.

В диспетчеризации транспортных потоков имеется ЦДЛ, а узлы ПАД отсутствуют. В узлах ПСД отсутствует обработка аварийных данных. Драйверы датчиков регистрации записывают при проезде транспортного средства в очередь присвоенный ему номер и время проезда. Эта очередь служит источником данных для узла ПСД. Периодичность опроса составляет 3-5 минут. Связь между узлами осуществляется посредством радиомодемов. Так как некоторые узлы ПСД могут быть недоступны по радио из ЦДЛ, информация с них передается через другой узел ПСД.

Примеры конкретных моделей (формул в языке спецификаций):

1) - подстанция с постоянным диспетчером. Есть регистрация данных аварийного режима с одного узла типа ПАД, регистрация и визуализация данных устоявшегося режима. Локальная установка, нет передачи информации на ЦДЛ. Связь У|<лОЬ| - по локальной сети. Связь Ь|<НМ>Оц - по нуль-модему;

2) - подстанция без диспетчера. Есть регистрация данных аварийного режима с одного узла типа ПАД, регистрация данных устоявшегося режима. Передача информации и визуализация данных - на ЦДП. Связь У1<ЛС>Н| - по локальной сети: Связь - по модему на выделенной линии. Связь - по нуль-модему;

3) - подстанция с постоянным диспетчером. Есть регистрация данных аварийного режима с одного узла типа ПАД, регистрация данных устоявшегося режима, визуализация данных. Передача информации и визуализация данных - на ЦДЛ. Связи У)<ле>Н( И Ь|<лОУ| - по локальным сетям. Связь Н|<ВМ>Ь| - по модему на выделенной линии. Связь Ь]<НМ>Оц - по нуль-модему;

4) - подстанция с постоянным диспетчером. Есть регистрация данных аварийного и установившегося режимов с двух узлов типа ПАД, регистрация и визуализация данных установившегося режима. Локальная установка, нет передачи информации на ЦДП. Связь

- по нуль-модему. Связь - по коммутируемой линии.

Связь Ь|<лОУ| - по локальной сети;

5) У<лоН={Н,<вм>{Ь,<нм>0,|}/Н2<вм>{У2<лоЬ2<нм>021}} -

распределенная СКМ, состоящая из двух ветвей:

5.1) подстанция без диспетчера, есть регистрация данных аварийного режима с одного узла ПАД, регистрация данных устоявшегося режима. Передача информации - на ЦДЛ. Связь Н|<ВМ>Ь) - по модему на выделенной линии. Связь - по нуль-модему;

5.2) подстанция с постоянным диспетчером. Есть регистрация данных аварийного режима с одного узла ПАД, регистрация данных устоявшегося режима, визуализация данных. Передача

информации - на ЦДЛ. Визуализация на ТТТТТТ информации с обеих ветвей. Связь Н2<вм>1-2 - по модему на выделенной линии. Связь Ьг<нм>021 - по нуль-модему. Связь Ь2<лоУ2 - по локальной сети. Связь Н<лОУ - по локальной сети/

6) У<ЛОН={Н|<рм>{Ьп}<рм>{Ь12}<рм>{Ь1з}/Н2<рм>{Ь2,}<рм>{Ь22}/

Нз<км>{Ьз|}/Н4<вм>{Ь41}} - распределенная СКМ сбора информации о движении транспортных средств, состоящая из ЦДП и семи территориально разнесенных узлов ДСП, размещенных в четырех ветвях:

6 . Н[, Ьц.Ьц, Ьизязь узлов посредством радиомодемов, 6 2 Н2, Ць 1-22- св.ь узлов посредством радиомодемов, 6 . ; Нз, Ьз] - связь п коммутируемой линии, 6.4) Нд, Ь41 - связь по выделенной линии.

Различаются проектный и реализационный уровни СКМ. По замыслу, инструментальные средства ПИПС поддерживают оба уровня одновременно. Их понятийный базис включает понятия "проект", "(информационный) канал''и "формаотображения". На проектном уровне:

Проект включает в себя формулу на языке спецификаций конкретного варианта модели, общие параметры, Таблицу (Информационных) Каналов (ТИК) и эскизы экранов проектируемой СКМ. Эскизы представляют собой некоторый графический фон и размещенные на нем формы отображения.

Канал проекта - это строка /запись/ в ТИК. Каждый канал проекта имеет следующие основные атрибуты: имя канала, признак источника данных, тип канала, тип и адрес подключаемого оборудования, номер канала оборудования для непосредственного подключения информационного канала узла, необходимая расчетная формула первичной обработки регистрируемых данных или расчета значения расчетного канала. Смысл этих атрибутов:

• имя канала - идентифицирует канал в ТИК,

• признак источника данных для канала - с ОН или, согласно конкретной модели, с другого узла,

• тип канала - определяет особенности взаимодействия канала с ОН. Может принимать следующие значения:

• аналоговое входное,

• дискретное входное,

• аналоговое выходное,

• дискретное выходное,

• аналоговое расчетное,

• дискретное расчетное,

• значение "счетчик",

• расчетное

(в последнем случае канал служит для расчета производных данных и с ОН не связан),

• тип подключаемого оборудования, входящего в состав компьютерного устройства, как аппаратной платформы ПО узла - определяет особенности взаимодействия с оборудованием,

• адрес подключаемого оборудования и номер канала - определяются конкретным типом этого оборудования и конфигурацией компьютерного устройства, где оно установлено,

• формулы первичной обработки данных - определяют необходимые преобразования данных, получаемых непосредственно с оборудования; например, аналоговые данные поступают с оборудования в целочисленном виде (т.н. отсчеты АЦП), счетчики подсчитывают количество импульсов и т.п.

Форма отображения предназначена для визуального представления информации. Каждая форма имеет следующие основные атрибуты:

• тип формы - определяет особенности представления информации. Может принимать следующие значения:

• представление аналогового канала,

• представление дискретного канала,

• кнопка - переход на другой экран,

• прозрачная кнопка,

• текст,

• формула

(в последнем случае форма служит для представления результата применения формулы к значениям нескольких каналов),

• список состояний формы - определяет состояния, которые может принимать форма. Состоит из базовой части и произвольного количества дополнительных состояний, которые определяются типом формы,

• координаты задают месторасположение формы на экране. На уровне реализации:

Канал - это объект класса канала, поля данных которого определяют все параметры, необходимые для правильного получения и обработки информации от своей части ОН.

Проект - это совокупность ПО узлов СКМ, соответствующей конкретному варианту модели. ПО узла включает в себя списки объектов каналов, процедуры их обработки, а также средства для организации связи между узлами и обеспечения необходимых функциональных возможностей.

Форма отображения - это объект класса форм отображения, поля данных которого, определяют все параметры, необходимые для правильного визуального представления информации, полученной или рассчитанной соответствующим каналом.

СКМ представляет собой набор параллельно и асинхронно работающих программ узлов и соответствует некоторой конкретной модели. Информационный обмен между узлами может быть рассмотрен со статической и динамической точек зрения. Статически, т.е. с точки зрения

структур передаваемых данных, информационный обмен планируется на стадии проектирования системы и в дальнейшем не изменяется. Динамически, т.е. с точки зрения осуществления моментов передачи информации, обмен зависит от вида передаваемой информации и событий, происходящих в системе. Выделяются следующие виды информационного обмена, перечисленные в порядке уменьшения приоритета: сообщения о событиях, текущие данные, аномальные данные и архивные данные.

Сообщения о событиях разделяются на сообщения об изменении состояния информационных каналов и на сообщения об изменении режимов работы аппаратно-программной среды узла. Сообщение посылается при наступлении соответствующего события.

Текущие данные представляют значения информационных каналов передающего узла и пересылаются с установленной периодичностью.

Аномальные данные передаются с момента формирования файла аномальных данных и представляют собой записи этого файла.

Архивные данные структурно совпадают с текущими и представляют собой записи файла архива.

Передача всей информации осуществляется под управлением принимающего узла.

Инструментальные средства ПИПС используют предложенную структурную модель и обеспечивают реализацию СКМ на основе следующих этапов процедуры проектирования:

• разработанный проект заносится в таблицы инструментальной

системы ПИПС,

• запускается процедура генерации ПО узлов СКМ.

Разработка проекта включает построение конкретного варианта модели СКМ, создание таблицы информационных каналов (ТИК) и (при необходимости) эскизов графических экранов СКМ с привязкой планируемых форм отображения к каналам таблицы. В каждой строке ТИК дополнительно к прочим атрибутам указываются спецификация узла месторасположения канала, а также номер узла этой же "главной ветви" -приемника значения канала. Например, если (см. Рис.1) канал располагается в узле 01кз , а в качестве приемника значения определен узел Li2 , то значение канала передается через все промежуточные узлы в узел Li2, а в узел Li1 не передается. Тем самым однозначно определяются каналы для визуализации "по умолчанию" в Результатом этапа является проект в виде набора бумажных документов.

На следующем этапе строки ТИК, а также разработанные графические экраны переводятся в логически связанный набор данных, сохраняемый в таблицах инструментальной системы ПИПС с удобным интерфейсом пользователя. Наглядное представление информации, оперативный режим проверки корректности вводимых данных и соответствия их выбранной конкретной модели СКМ, проведение необходимых расчетов в процессе ввода, легкость корректировки и исправлений дают в руки разработчика эргономичный инструмент проектирования и реализации СКМ.

Последним этапом является запуск процедуры генерации ПО СКМ. При этом информация из таблиц преобразуется в исходные тексты на языке С++ создания списков объектов классов из иерархии классов канала и классов форм отображения. Например, при создании списка классов канала информация из одной строки ТИК переходит в список параметров конструктора соответствующего объекта. Эти тексты определяют настройку ПО СКМ на конкретный вариант модели. Инструментальная система ПИПС автоматически запускает сборку полученных исходных текстов с универсальными, отдельно разработанными, модулями СКМ.

Графически один из процессов преобразования декларативной формы проекта в процедурную представлен на рис.2.

Рис. 2. Преобразование формы представления информации процессе проектирования и реализации ПО СКМ.

в

Информационные связи между узлами СКМ детального проектирования не требуют, т.к. полностью определяются формулой конкретного варианта модели, а также атрибутами каналов в ТИК.

В главе 3 сформулированы требования к инструментальным средствам проектирования и программирования ПИПС (далее для краткости - система ПИПС), даны описания реализации и функциональности модулей системы, приведена логическая модель базы данных (БД), даны описания таблиц БД. Приведены примеры экранов последовательных стадий разработки. Описана методика пользования системой. Рассмотрены характеристики системы.

Особенностью программной реализации системы является использование промышленной реляционной СУБД Clarion version 5.5 фирмы SoftVelocity в качестве средства поддержки БД проекта и для создания редактора визуального проектирования графического интерфейса СКМ. Из отличительных особенностей этой СУБД стоит отметить наличие подсистемы InternetConnect, допускающей установку приложения в Интернет и совместную работу с ним посредством обычного системного браузера, а также генерацию кода приложений на основе механизма "каркасного" программирования с использованием Templates (шаблонов). Разработка системы ПИПС как приложения СУБД обеспечивает естественный для таких приложений совместный доступ к данным и, следовательно, совместную разработку СКМ. Реализованы два варианта процедуры разработки СКМ.

Упрощенный:

• определяется требуемая конфигурация модели и общие для модели параметры,

• вводятся параметры каналов,

• запускается процедура генерации кода.

После этого шага получается исходный код ПО узлов СКМ со стандартным текстовым режимом отображения, пригодный для быстрой установки на объект, проверки монтажа, режимов функционирования оборудования и т.п.

Типовой, который дополнительно включает в себя следующие шаги:

• проектируется графический уровень отображения,

• проектируется структура отчетов,

• запускается процедура генерации кода.

После этого шага получается исходный код ПО узлов полнофункциональной СКМ.

Система ПИПС имеет в своем составе следующие функциональные модули: поддержки справочников системы, определения конкретного варианта модели, ввода общих параметров СКМ, ввода данных ТИК, редактора для проектирования графических экранов отображения информации, проектирования отчетов, генерации исходного кода ПО узлов СКМ.

Поддерживаются следующие основные справочники: 4 уровня имен каналов, стандартные временные интервалы, типы тревог и связанные с ними стандартные и нестандартные сообщения, стандартные формулы расчетных каналов, типы форм отображения, типы состояний форм отображения и связанные с ними спрайты, графические файлы спрайтов, структуры спрайтов.

Для проектирования графического режима отображения информации необходимо предварительно нарисовать фон экранов в любом графическом редакторе под Windows, занести имена графических файлов в таблицы системы и сформировать структуры экранов. Должны быть заполнены справочники, определяющие структуру анимированного представления состояния форм отображения. Последние справочники связываются между собой следующим образом: каждый тип формы отображения имеет набор стандартных состояний, каждое состояние связано со спрайтом, который его визуализирует, спрайт состоит из последовательности графических файлов с приписанными им временами отображения.

Графический редактор системы ПИПС позволяет расставить на экранах формы отображения и определить их свойства. К основным свойствам формы отображения относятся: тип формы, список состояний формы,

спрайты, приписанные к каждому состоянию, признак - форма расчетная или привязана к значениям определенного канала, на какой экран проекта должен осуществиться переход в случае нажатия клавиши мыши на этой форме, список приписанных к форме каналов. Если список непуст, то при нажатии клавиши мыши на форме в работающей СКМ появляется всплывающее окно, представляющее значения этих каналов. Список состояний формы состоит из стандартного набора состояний и произвольного количества дополнительных, допустимых для этого типа формы.

Редактор построен с использованием подхода WYSIWYG (What You See Is What You Get), что позволяет видеть реальные экраны СКМ на стадии проектирования. Для реализации эффективного интерфейса использованы Типовые Элементы Управления (ТЭУ), входящие в систему визуальных компонентов Clarion. В частности, форма отображения реализуется с помощью Кнопки. При размещении ТЭУ на экране или изменении каких-либо их свойств, свойства ТЭУ заносятся в БД системы проектирования и используются при повторном обращении к этому экрану для динамического порождения ТЭУ и размещения их на экране. Использование ТЭУ упрощает интерактивную работу с элементами графического отображения и связывание их с записями в БД посредством использования связанных с ТЭУ обработчиков событий.

Модуль генерации кода использует информацию из БД, содержащей закодированный проект, для сборки исходного кода из фрагментов, содержащихся в библиотеке исходных текстов. Библиотека представляет собой набор справочников, доступных только администратору системы, и включает в себя тексты параметризованных шаблонов. Модуль использует информацию из БД для определения параметров этих шаблонов и записывает получившиеся тексты в виде файлов модулей ПО СКМ.

В главе 4 рассмотрены структуры данных и алгоритмы, лежащие в основе ПО узлов СКМ, генерируемого с помощью системы ПИПС. Приведены иерархии классов канала и классов форм отображения, разработанные в известной системе проектирования Rational Rose. Предложены функциональные алгоритмы программного обеспечения узлов.

Однородная, основанная на небольшом типаже узлов структура СКМ, допускает ее легкое конструирование в конкретной конфигурации. Этой же цели служит и то, что ПО узлов СКМ основано на едином множестве базовых классов:

• информационных каналов; класс инкапсулирует виртуальные методы получения данных, их первичной обработки, а также дополнительного расчета значений;

• обслуживания связей; класс предназначен для обобщенного описания параметров и процедур передачи данных между узлами СКМ, он включает виртуальные методы получения и передачи

информации, подсчета и проверки контрольной суммы, поддержки буферизации, а также инициализации среды передачи;

• обслуживания архивов; класс инкапсулирует виртуальные методы работы с архивами, такие как запись, поиск, чтение;

• форм отображения информации; класс инкапсулирует виртуальный метод визуализации;

• формирования отчетов на основе архивной информации;

• поддержки объектной модели потока данных; класс служит формализации и проверке взаимосвязей в потоке регистрируемой информации;

• управления; класс служит для организации взаимодействия объектов прочих классов.

При обработке информации о быстропротекающих процессах одной из главных задач является минимизация запаздывания подсистемы регистрации, и, следовательно, при сжатии потока информации в реальном времени определяющей становится скорость обработки данных, полученных в очередной момент времени. Предложен алгоритм сжатия информации в системе регистрации быстропротекающих процессов. Приведен подход к расчету трудоемкости алгоритма, а также результаты вычислительных экспериментов. В отличие от известного т.н. "лучевого" алгоритма, в предложенном алгоритме достигается экономия в вычислениях при некотором проигрыше в коэффициенте сжатия информации. Идея предлагаемого алгоритма заключается в анализе свойств выпуклости, вогнутости или прямолинейности ломаной, построенной по трем последним значениям поступивших данных. Начальной точкой построения последовательности аппроксимирующих отрезков является первая точка исходной информации. Определяется касательная к ломаной как прямая, проходящая через начальную точку и среднюю из трех точек ломаной, когда прочие точки ломаной лежат по одну сторону от прямой. В этом случае, аппроксимирующий отрезок строится как касательная к одной из границ т.н. эпсилон-окрестности последних трех точек тренда данных. Возможность проведения касательной определяется соотношением свойств ломаной в районе расположения начальной точки и предполагаемого места касания. Анализ этого соотношения позволяет выбирать для построения касательных определенную границу эпсилон-окрестности, а также отвергать участки, заведомо для этого непригодные. Если касательная может быть проведена, то она строится и продолжается до момента пересечения с эпсилон-окрестностью ломаной очередных трех точек тренда. В зависимости от того, насколько далеко будет продолжима она в рамках эпсилон-окрестности, настолько можно будет исключить из рассмотрения все промежуточные точки последовательности. В точку пересечения переносится начальная точка и процесс повторяется. Построение последовательности аппроксимирующих отрезков осуществляется в процессе получения данных, что позволяет строить сжатое описание в темпе их поступления.

Проведена систематизация форм отображения в СКМ. На основе анализа литературных источников предлагается описывать текущую ситуацию для аналоговых каналов следующими одномоментными (координатными) или интервальными (скоростными и, в свою очередь, детерминированными или статистическими) показателями:

1) нижнее аварийное - значение канала стало меньше аварийного

значения,

2) нижнее предаварийное - меньше нижнего предаварийного,

3) верхнее предаварийное - больше верхнего предаварийного,

4) верхнее аварийное - больше верхнего аварийного,

5) нормальное - между предаварийными значениями,

6) медленное возрастание - градиент изменения мал,

7) медленное убывание - градиент изменения мал,

8) быстрое возрастание - градиент изменения велик,

9) быстрое убывание - градиент изменения велик,

10) ожидаемое - значение канала находится в эпсилон-окрестности математического ожидания по выборке предшествующих значений,

11) сомнительное - предшествующая выборка содержит слишком много аномальных выбросов, потребовавших фильтрации,

12) отключенное - источник данных для канала отключен,

13) эталонное ^го типа - форма кривой регистрируемых данных расположена в эпсилон-коридоре ьго эталона из множества эталонов, заданных функционально или таблично.

Дискретные каналы предлагается разделить на две группы:

1) значение канала представляет собой т.н. маску, например, двоичное слово,

2) значение канала является целым числом (в случае счетчика).

В первом случае возможны следующие показатели состояния в каждой позиции слова: естественные, например, показатель с двумя значениями "включен", "выключен", аномальные, например, типа "дребезга контактов" (со слишком быстрой сменой значений показателя) и др.

Для счетчиков предусматривается произвольное количество состояний, связанных с достижением определенных значений.

Предлагаются алгоритмы мультимедийного отображения потока данных, в частности, алгоритм отображения состояния каналов с помощью форм отображения на некотором фоне. Форма отображения связана с определенным каналом и в каждый момент времени может находиться в одном из определенных для этой формы состояний. В общем случае возможны соответствия нескольких, не актуальных для различения в настоящий момент, состояний канала одному состоянию формы, а также наличие у формы отображения нескольких состояний, связанных с объектной структурой потока данных, т.е. форма отображения переходит в это состояние в случае возникновения определенных функциональных зависимостей между значениями или состояниями отдельных каналов.

С учетом достоинств и недостатков векторной и растровой графики, для реализации компромиссного варианта состояние формы отображения визуализируется с использованием некоторого обобщения понятия спрайта, т.е.. в виде последовательности "картинок" со своими длительностями отображения (и эффектом анимации), дополнительно содержащей поверх картинок значения (или графические отображения атрибутов) поступающих данных. При этом обобщении спрайт выступает объектом класса с подходящими методами изменения длительности отображения картинок, их масштаба и наложения указанной дополнительной информации.

Различаются статическая форма отображения, .у которой каждое

состояние изображается единственной картинкой1 (т.н. вырожденным спрайтом), и динамическая, когда существует хотя бы одно состояние, отображаемое спрайтом, состоящим из двух или более картинок. На этой основе все формы отображения некоторого потока данных сводятся в два списка: 8 - список статических и Б - динамических форм. Укрупненно алгоритм визуализации форм для этих списков приведен на Рис. 3. Получение данных и визуализация их состояний выполняются параллельно в двух программных потоках, синхронизированных с помощью семафора Обработка 8 и Б заключается в изменении состояния совокупности форм отображения (в зависимости от состояния потока данных) и выводе на экран соответствующих спрайтов. Дополнительно в обработку Б входит реализация анимации спрайта.

Рис. 3.

К алгоритму визуализации форм отображения.

В технологии объектно-ориентированного программирования, позволившей определить систему базовых классов ПО СКМ, реализован предложенный в диссертации общий алгоритм функционирования программного обеспечения узлов СКМ. В базовом управляющем классе определен т.н. чистый виртуальный метод еХесШ;ер. Его реализация в каждом узле своя, но она всегда состоит в регулярном обновлении значений

каналов в списке каналов и выполнении всех необходимых вспомогательных действий (ВД) в промежутке между обновлениями. К ВД относятся: обслуживание архивов, обработка списка тревог, определенных на стадии обновления каналов, обновление экранов отображения, обмен информацией с соседними узлами. Для решения проблемы обеспечения установленного интервала обновления значений каналов, который может оказаться недостаточным для выполнения всех требуемых в этот момент времени ВД предложена пошаговая реализация ВД, например, прием всего объема информации с соседнего узла осуществляется побайтно, с помощью функции, реализующей этот шаг. Если за. один промежуток между обновлениями каналов вся информация не принята, то прием продолжится после обновления. Выполнение ВД синхронизированы между собой, например, запись значений каналов в архив в модуле, принимающем информацию по линиям связи, может произойти только после завершения приема. Поэтому после полного выполнения любого ВД устанавливается признак его завершения. Приоритеты ВД также должны различаться, например, важно успеть обработать аварийную ситуацию, а занести запись в архив можно и позже. Всем ВД придаются динамически изменяемые приоритеты.

Определение момента перехода на пересчет каналов реализовано в зависимости от среды функционирования ПО узла СКМ:

• в однозадачной среде, когда необходимо проверять после вызова каждой функции, не наступил ли момент перехода, или вызывать пересчет как функцию обработки прерывания от таймера. При первом способе возможны вариации длительности интервалов пересчета и необходимы эксперименты на реальном оборудовании для определения минимально допустимого интервала, а во втором - возрастает нагрузка на процессор из-за постоянного вызова функции обработки прерывания. Последнее может привести к полной потере производительности в случае ускорения работы таймера при необходимости точного измерения коротких* временных интервалов, поэтому реализован первый способ;

• в многозадачной среде, например Linux, когда все ВД и пересчет значений каналов выполняются в параллельных потоках. Управляющий поток, который активизирует поток пересчета в необходимые моменты времени, имеет максимальный приоритет. В этой среде определение момента перехода осуществляется автоматически средствами операционной системы.

Формирование отчетов происходит с помощью технологии внедрения и связывания объектов OLE (Object Linking and Embedding) Automation в системе табличных расчетов Excel.. Модуль формирования отчетов реализован в отдельном программном потоке, что обеспечивает формирование отчета параллельно с получением текущих данных.

В главе 5 приведено описание реализаций СКМ, выполненных в соответствии с моделями реальных энергетических объектов и внедренных в ОАО "Бурятэнерго" и ОАО "Бурятзолото".

Система компьютерного мониторинга "ВЭС" ОАО "Бурэнерго" состоит из следующих узлов и связей:

L,,0„ на подстанции Удинская; связь Li <НМ> 0ц - нуль-модем.

L2,02i,на постанции Сосновоозерск; связь L2 <нм> Ол - нуль-модем, L2

- локальная сеть. H=HiUH2,V=V|UV2 - на диспетчерском пункте в Хоринске. Связь Hi <вм> L] - модемы на выделенной линии (45 км). Связь Н2 <ВМ> L2 - модемы на выделенной линии (130 км). Связь - локальная сеть.

Формула СКМ:

У<лоН= {Н1 <вм> {Li <нм>011} /Н2<вм> {У2<л оЬ2<нм>Ог i}}.

СКМ "Самарта" ОАО "Бурятзолото" состоит из следующих узлов и связей:

L|,On,V| - иа подстанции в Самарте; связь Ь|<НМ>Оц - нуль-модем, L|<JJC>V| - локальная сеть.

O12 - на шахте; связь Li<KM>Oi2 - модемы по коммутируемой линии связи АТС Lucent (17 км).

Формула СКМ: V|<^OLi<HM>0n,<KM>02i.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА

ЗАЩИТУ

Технология разработки систем компьютерного мониторинга, в том числе модель предметной области (как совокупность типизированных узлов и связей между ними), язык спецификаций, позволяющий задавать структуру проектируемой СКМ, алгоритмы функционирования пунктов мониторинга трех типов (пунктов сбора и пересылки данных, пунктов выделения аномальных данных и пунктов мультимедийного отображения данных) и использующая их система алгоритмов формирования проекта;

инструментальные средства проектирования и программирования систем компьютерного мониторинга - на основе указанной технологии и с автоматической генерацией программного обеспечения создаваемых систем компьютерного мониторинга;

алгоритмы сжатия информации и визуального отображения состояния объекта мониторинга в реальном временном масштабе, т.е. в темпе протекания процессов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Васильев С.Н., Извеков Я.О. Системы компьютерного мониторинга: автоматизация проектирования и программирования // Материалы IV Байкальской школы-семинара "Математическое моделирование и информационные технологии", Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2004, с. 1213.

2. Васильев С.Н., Извеков Я.О. Технология и инструментальные средства проектирования и программирования систем компьютерного мониторинга // Оптимизация, управление, интеллект, Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2004,1(7), с. 19-31.

3. Извеков Я.О. Минимизация времени выполнения линейных программ // "Проектирование специализированных вычислителей и управляющих систем", Иркутск: изд-во Иркут. ун-та, 1984, с. 45-46.

4. Извеков Я.О., Миронов Н.М. Визуализации потоков данных, регистрируемых системой реального времени // Материалы 2-й Всерос. научн.-техн. конф. "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, 2001 г., с. 170173.

5. Извеков Я.О., Мухопад Ю.Ф. Адаптивное представление информации в системе регистрации быстропротекающих процессов // Материалы Всесоюзн. конф. "Микропроцессорные системы", Челябинск, 1984 г., с. 147-148.

6. Извеков Я.О., Ширапов Д.Ш. Моделирование информационно-измерительных систем // Материалы Всерос. конф. "Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы", Улан-Удэ, 2003 г., с. 145-149.

Соискатель выражает свою глубокую признательность научному руководителю чл.-к. РАН С.Н.Васильеву, научному консультанту д.ф.-м.н. Д.Ш. Ширапову, соавторам указанных публикаций, а также Цагадаеву Б.Д. и Федонькину Ю.Н., совместная работа с которыми ускорила работу над диссертацией.

Редакционно-издательский отдел Института динамики систем и теории управления СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, д. 134 Подписано к печати 8.04.04.

Формат бумаги 60 х 84 1/16 Заказ 2. Тираж 100 экз.

Отпечатано в ИДСТУ СО РАН

^-7159

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО . МОНИТОРИНГА

1.1. Средства проектирования общего назначения.

1.1.1. Программно-аппаратная платформа реализации.

1.1.2. Средства обмена информацией и интеграции приложений.

1.1.3. Встроенные языки управления.

1.1.4. Архивирование данных и построение отчетов.

1.1.5. Обработка аварийных ситуаций.

1.1.6. Открытость систем.

1.1.7. Пользовательский интерфейс.

1.1.8. Обеспечение надежности функционирования.

1.1.9. Автоматизация процесса проектирования.

1.2. О некоторых отраслевых специализациях.

1.3. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА

2.1. Обобщенная модель предметной области.

2.2. Язык описания и варианты модели.

2.3. Интерпретации модели.

2.4. Технология проектирования.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

ПИПС)

3.1. Основные свойства системы.

3.2. Реализация системы.

3.3. Описание таблиц базы данных

3.3.1. Таблицы, описывающие общие параметры проекта и являющиеся справочниками системы.

3.3.2. Таблицы, связанные со структурой регистрируемых информационных потоков.

3.3.3. Таблицы, описывающие параметры подсистемы отображения.

3.3.4. Таблицы, описывающие параметры подсистемы отчетов.

3.3. Методика использования системы.

3.4. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ И АЛГОРИТМЫ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОНИТОРИНГА

4.1. Классы системы

4.1.1. Классы канала.

4.1.2. Классы форм отображения.

4.2. Отдельные функциональные алгоритмы программного обеспечения узлов.

4.2.1. Алгоритм сжатия информации.

4.2.2. Алгоритм визуализации данных.

4.2.3. Общий алгоритм функционирования ПО узла СКМ.

4.3. Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ

5.1. Программный комплекс "Самарта".

5.1.1. Общее описание.

5.1.2. Подробное описание.

5.1.2.1. Осциллографический модуль.

5.1.2.2. Вспомогательный модуль.

5.1.2.3. Основной модуль.

5.1.2.4. Модуль визуализации.

5.1.2.5. Описание главного меню.

5.1.2.5.1. Позиция "Экраны".

5.1.2.5.2. Позиция "Отчеты".

5.1.2.5.3. Позиция "Управление".

5.1.2.5.4. Позиция "Тревоги".

5.1.2.5.5. Позиция "Осциллограмма".

5.1.2.5.6. Позиция "Режимы".

5.2. Программный комплекс "Уда".

5.3. Выводы по главе 5.

Диссертационная работа посвящена технологии и инструментальным средствам проектирования и создания программного обеспечения систем компьютерного мониторинга.

Актуальность проблемы.

В различных сферах деятельности человека, которые используют информационные технологии, возникает потребность в эффективной разработке программного обеспечения (ПО) систем мониторинга объектов наблюдения (ОН) и мультимедийного представления получаемой информации — отображения данных. В инструментальных средствах эффективной разработки указанного ПО нуждаются электроэнергетические системы, системы тепло- и водоснабжения, системы мониторинга лифтового хозяйства, системы автоматизации научных исследований и экспериментов, распределенные системы сбора сейсмических данных, системы интернет/интранет-опроса распределенных баз данных, системы интеллектного управления уровнем комфорта и экономичности жилых помещений (концепция т.н. "умных домов"), системы диспетчерского контроля за движением транспортных средств и, вообще, системы поддержки так или иначе структурированных информационных потоков, их приема, анализа и эргономичного человеко-машинного интерфейса. Последние системы далее для краткости именуются системами компьютерного мониторинга (СКМ).

Современная СКМ представляет собой сложную, иерархически построенную, человеко-машинную систему сбора информации. Для ее создания используются автоматические информационные системы сбора данных и вычислительные комплексы, которые постоянно совершенствуются по мере развития технических средств и программного обеспечения. Автоматизация процессов сбора информации позволяет повысить качество и снизить себестоимость контроля объектов наблюдения. Она требует немалых затрат сил, времени и финансов, но при умелом подходе, своевременных и целесообразных руководящих решениях, позволяет добиться значительного экономического эффекта. Целью автоматизации является обеспечение возможности наблюдения и анализа человеком параметров происходящих в объекте мониторинга процессов. В технической литературе под верхним уровнем СКМ понимается комплекс аппаратных и программных средств, выполняющих роль полуавтоматического диспетчерского узла, ядром которого служит компьютер, а человек-оператор входит в систему как одно из функциональных звеньев верхнего уровня контроля и управления. Диспетчер в многоуровневой автоматизированной системе управления получает информацию со средств отображения и воздействует на объекты, находящиеся от него на значительном расстоянии с помощью телекоммуникационных систем, контроллеров, интеллектуальных исполнительных механизмов. Необходимым условием эффективной реализации диспетчерского управления, имеющего ярко выраженный динамический характер, становится работа с информацией, т. е. процессы сбора, передачи, обработки, отображения, способы представления информации. От диспетчера уже требуется не только профессиональное знание технологического процесса, основ управления им, но и опыт работы в информационных системах, умение принимать решение (в диалоге с ЭВМ) в нештатных и аварийных ситуациях и многое другое. Недооценка важности построения эргономичного человеко-машинного интерфейса и, вообще, недооценка человеческого фактора с годами становится все более определяющей причиной возникновения аномальных (нештатных) ситуаций.

Если говорить о важности эффективного диспетчерского управления, то необходимо упомянуть проблему технологического риска. Технологические процессы, как один из возможных объектов мониторинга, (в частности, в энергетике) являются потенциально опасными и при возникновении аварий приводят к человеческим жертвам, а также к значительному материальному ущербу. Статистика говорит, что за последние тридцать лет число учтенных аварий удваивается примерно каждые десять лет.

В основе любой аварии за исключением стихийных бедствий лежит ошибка человека. В результате анализа большинства аварий в энергетике были получены интересные данные. В 60-х годах ошибка человека была первоначальной причиной аварий лишь в 20% случаев, тогда как к концу 80-х доля "человеческого фактора" стала приближаться к 80 %. Одна из причин этой тенденции - старый традиционный подход к построению сложных систем управления, делающий упор на применение новейших технических и технологических достижений и недооценка необходимости построения эффективного человеко-машинного интерфейса, ориентированного на человека (диспетчера).

Структура С КМ с точки зрения получения и визуализации данных объектов мониторинга разделяется на два уровня.

Нижний уровень - контроллерный, включает различные датчики для сбора информации, электроприводы и исполнительные механизмы для реализации регулирующих и управляющих воздействий. Датчики поставляют информацию локальным программируемым логическим контроллерам (PLC - Programming Logical Controller), которые могут выполнять следующие функции:

• сбор и обработка информации о параметрах технологического процесса;

• управление исполнительными механизмами;

• решение задач автоматического логического управления и др.

• предварительная обработка информации

В качестве локальных PLC в системах контроля и управления различными технологическими процессами в настоящее время применяются контроллеры, как отечественных производителей, так и зарубежных. На рынке представлены многие десятки типов контроллеров, способных обрабатывать от нескольких переменных до нескольких сот переменных, имеющие встроенные микропроцессоры, средства объединения в сети, зашитые в ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) операционные системы.

К аппаратно-программным средствам контроллерного уровня управления предъявляются жесткие требования по надежности, времени реакции на исполнительные устройства, датчики и т.д. Программируемые логические контроллеры должны гарантированно откликаться на внешние события, обеспечивая их безусловную обработку. Для критичных с этой точки зрения применений рекомендуется использовать контроллеры с операционными системами реального времени (ОСРВ). Контроллеры под управлением ОСРВ функционируют в режиме жесткого реального времени. Разработка, отладка и исполнение программ управления локальными контроллерами осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения, широко представленного на рынке. К этому классу инструментального ПО относятся пакеты типа ISaGRAF (CJ International France), InConrol (Wonderware, USA), Paradym 31 (Intellution, USA), имеющие открытую архитектуру.

Информация с локальных контроллеров может направляться в сеть диспетчерского пункта непосредственно, а также через управляющие контроллеры. В зависимости от поставленной задачи, управляющие контроллеры реализуют дополнительные функции. Некоторые из них перечислены ниже:

• сбор данных с локальных контроллеров,

• обработка данных, включая масштабирование,

• поддержание единого времени в системе,

• синхронизация работы подсистем,

• организация архивов по выбранным параметрам,

• обмен информацией между локальными контроллерами и верхним уровнем;

Верхний уровень - диспетчерский пункт (ДП), включает, прежде всего, одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место диспетчера/оператора. Они входят в локальную сеть, в которой может быть размещен сервер базы данных, рабочие места для специалистов и т. д.

Многообразие решаемых задач при создании такого рода систем предъявляет очень серьезные требования к разработчикам СКМ, которым необходимо разработать надежно работающее ПО, учитывающее особенности функционирования аппаратуры и режимов работы оборудования, необходимости организации связи между отдельными элементами системы, учета и компенсации некорректной работы под влиянием условий окружающей среды. Оптимальное решение - сосредоточить в одних руках ответственность за все элементы системы, и за технологическую карту процесса, и за подбор и отладку оборудования, и за разработку ПО. В таком случае разработчики должны быть одинаково сильны во всем многообразии возникающих проблем и вопросов.

Использование традиционных технологий и, в частности, универсальных языков программирования при разработке ПО СКМ, вызывает удлинение сроков и повышение стоимости разработки, хотя при квалифицированном проектировании и программировании приводит к высокооптимизированному продукту. Необходимость компромисса между оптимальностью решения и высокой эффективностью (в частности, технологичностью) его получения вынуждает разрабатывать инструментальные средства проектирования и создания ПО СКМ (в дальнейшем систем проектирования), доступные, в том числе, и для непрограммирующих (конечных) пользователей. Такие, например, как TraceMode, Ifix, InTouch, Genesis32, Citect которые позволяют строить СКМ практически без программирования, в основном силами технологов предметной области. Применение этих средств позволяет вести разработку СКМ, которые будут осуществлять в реальном времени контроль и управление объекта мониторинга, получать и обрабатывать информацию о процессах в удобном виде. При этом пользователь не должен вдаваться в тонкости реализации.

Сложившаяся практика построения автоматизированных систем мониторинга и управления достаточной сложности свидетельствует о том, что применение подобных систем проектирования значительно упрощает жизнь разработчикам, а также позволяет получить при их эксплуатации следующие преимущества [25]:

• точное соблюдение технологических нормативов и регламента;

• снижение простоев оборудования, вызванное неравномерной загрузкой производственных мощностей;

• устранение ошибок, допускаемых операторами, путем полной автоматизации процессов управления;

• анализ использования, загрузки и обслуживания оборудования. Правильное и экономное распределение капитальных вложений;

• предупреждение аварий на производстве;

• комплексный статистический анализ причин, влияющих на качество выпускаемой продукции;

• автоматическая и своевременная генерация отчетов для руководящего персонала.

Из вышесказанного следует, что разработка методов и алгоритмов подобных систем в целях совершенствования процедур проектирования СКМ, создание методик и подходов, автоматизирующих процесс построения ПО СКМ, являются актуальной задачей.

Цель работы.

Основной целью диссертации является исследование возможностей и создание инструментальных средств разработки ПО СКМ (с мультимедийным отображением состояния объекта мониторинга), включая как проектирование, так и генерацию программных кодов.

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

• Технология разработки систем компьютерного мониторинга, в том числе модель предметной области (как совокупность типизированных узлов и связей между ними), язык спецификаций, позволяющий задавать структуру проектируемой СКМ, алгоритмы функционирования пунктов мониторинга трех типов (ПСД, ПАД и ПОД) и использующая их система алгоритмов формирования проекта;

• инструментальные средства Проектирования И Программирования Систем компьютерного мониторинга (ПИПС,) - на основе указанной технологии и с автоматической генерацией программного обеспечения создаваемых систем компьютерного мониторинга;

• алгоритмы сжатия информации и визуального отображения состояния объекта мониторинга в реальном временном масштабе, т.е. в темпе протекания процессов.

Практическая ценность.

• Практическая полезность разработанных инструментальных средств ПИПС состоит в повышении эффективности процессов проектирования и генерации ПО СКМ, а именно, в повышении степени автоматизированности процессов проектирования и обеспечении автоматизации процесса генерации ПО СКМ и, как следствие, качества и надежности программных систем;

• высокая эргономичность получаемых человеко-машинных интерфейсов в узлах ПОД обеспечивает высокую эффективность использования данных в реальном времени;

• разработанные средства сжатия информации обеспечивают регистрацию быстропротекающих процессов в реальном времени;

• обеспечивается повышение эффективности инструментальных средств:

1) уменьшением количества указанных выше этапов типового проектирования посредством создания ПО проектирования архитектуры на основе специального языка спецификаций структуры СКМ,

2) упрощением реализации отдельных этапов типового проектирования посредством типизации узлов и использования их функционального ПО в виде заранее разработанного, функционально полного набора стандартных компонентов.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались автором и обсуждались на:

• 1-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,

2000 г;

• 2-м Международном научно-техническом семинаре "Современные средства телемеханики, организация рабочих мест оперативного персонала и щитов управления в электроэнергетике", Москва, 2001 г.;

• 2-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,

2001 г.;

• 3-й Всероссийской научно-технической конференции "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ,

2002 г.;

• Всероссийской конференции "Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы", Улан-Удэ, 2003 г.;

• 2-й Международной научно-практической конференции "Энергосберегающие и природоохранные технологии", Улан-Удэ, 2003 г.;

• IV Байкальской школе-семинаре "Математическое моделирование и информационные технологии", Иркутск, 2004 г;

• научном семинаре ИДСТУ СО РАН (науч. рук. чл.-к. РАН С.Н.Васильев), 2004 г.;

• семинарах Бурятского центра информатизации Байкальского региона при БГУ науч. рук. чл.-к. РАН С.Н.Васильев), Улан-Удэ, 2001 - 2004 г.

Имеются акты об использовании разработанных инструментальных средств для создания СКМ Восточных электрических сетей ОАО "Бурэнерго" и СКМ функционирования энергоподстанции на приисках ОАО "Бурятзолото" в Самарте, а также в учебных процессах Бурятского и Иркутского госуниверситетов. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Из результатов, содержащихся в этих публикациях, в диссертацию включены только результаты, полученные лично соискателем. Личный вклад.

В статьях, где диссертант является первым автором, его вклад основной. В остальных работах диссертант участвовал от постановки задачи до окончательного решения и практической реализации, включая внедрение. Объем работы.

Диссертационная работа состоит из 113 страниц основного текста. Список литературы включает 72 наименования. Работа включает 3 таблицы и 32 рисунка. Краткое содержание работы.

Диссертация включает в себя введение, пять глав, заключение и приложения.

5.3. Выводы по главе 5

В главе 5 приведены примеры применения разработанных в диссертации инструментальных средств проектирования и реализации ПО СКМ в электроэнергетике.

Первый вариант модели был получен в результате исследования постановки задачи, предложенной ОАО "Бурятзолото". Задача заключалась в создании СКМ на энергоподстанции в Самарте, где расположено производство по добыче золота. После завершения монтажа оборудования, данные проекта были занесены в систему ПИПС за два дня. После этого были получены исполнительные модули системы и установлены на подготовленное оборудование для расчета коэффициентов преобразования аналоговых каналов и счетчиков. За последующие два дня коэффициенты были рассчитаны, ошибки в монтаже выявлены и устранены, а экраны отображения спроектированы в графическом редакторе. Исполнительные модули системы были снова сгенерированы и установлены окончательно.

Второй вариант модели занял больше времени, так как он был распределенный и потребовалась установка модулей в трех местах: Удинске, Сосновоозерске и на диспетчерском пункте в Хоринске.

Проблем с функционированием программного обеспечения не было, что подтверждается прилагаемыми актами внедрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В направлении достижения основной цели работы - исследование возможностей и создание инструментальных средств разработки ПО СКМ (с мультимедийным отображением состояния объекта мониторинга), включая как проектирование, так и генерацию программных кодов - были получены и выносятся на защиту следующие основные результаты:

• Технология разработки систем компьютерного мониторинга, в том числе модель предметной области (как совокупность типизированных узлов и связей между ними), язык спецификаций, позволяющий задавать структуру проектируемой СКМ, алгоритмы функционирования пунктов мониторинга трех типов (пунктов сбора и пересылки данных, пунктов выделения аномальных данных и пунктов мультимедийного отображения данных) и использующая их система алгоритмов формирования проекта;

• инструментальные средства проектирования и программирования систем компьютерного мониторинга - на основе указанной технологии и с автоматической генерацией программного обеспечения создаваемых систем компьютерного мониторинга;

• алгоритмы сжатия информации и визуального отображения состояния объекта мониторинга в реальном временном масштабе, т.е. в темпе протекания процессов.

1. Адаптивные телеизмерительные системы, сборник, Энергоиздат, Л., 1981

2. Алфимов Р.В., Золотухина Е.Б. Совместное использование Delphi и Rational Rose при проектировании пользовательского интерфейса // М.: Технология Клиент-Сервер, 1 квартал 2001 г.

3. Аммерал Л. Машинная графика на персональных компьютерах / Пер. с англ. — М.: "Сол Систем", 1992 г., с. 232.

4. Аммерал Л. Принципы программирования в машинной графике / Пер. с англ. — М.: "Сол Систем", 1992 г., с. 224.

5. Аммерал Л. Интерактивная трехмерная машинная графика / Пер. с англ. — М.: "Сол Систем", 1992 г., с. 317.

6. Анзимиров Л., Айзин В., Фридлянд А. Новая версия TRACE MODE для WindowsNT // СТА, №3, 1998 г.

7. Ахо А., Хопкрофт Д., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979 г.

8. Ахо А., Ульман Дж. Теория синтаксического анализа, перевода и компиляции. Том 1: Синтаксический анализ / Пер. с англ. -М.: Мир, 1978 г., с. 612.

9. Бенькович Е.С., Колесов Ю.Б., Сениченков Ю.Б. Практическое моделированиединамических систем Пб. БХВ-Петербург, 2002 г.

10. Богтс Уэнди, Боггс Майкл. UML Rational Rose М.: Издательство Лори, 2001 г. П.Боэм Б., Браун Дж., Каспар X. и др. Характеристики качества программногообеспечения / Пер. с англ. Е.К. Масловского — М.: Мир, 1981 г., с. 208.

11. Бунин В., Анопренко В., Ильин А., Салова О., Чибисова Н., Якушев A. SCADA-системы: проблема выбора // СТА, №4,1999 г.

12. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд. / Пер. с англ. М.: Издательство Бином, СПб.: Невский диалект, 1999 г., с. 560.

13. Васильев С.Н., Извеков Я.О. Системы компьютерного мониторинга: автоматизация проектирования и программирования // Материалы IV Байкальской школы-семинара "Математическое моделирование и информационные технологии Иркутск, ИДСТУ СО РАН, 2004, с. 12-13;

14. Васильев С.Н., Извеков Я.О. Технология и инструментальные средства проектирования и программирования систем компьютерного мониторинга // Оптимизация, управление, интеллект, 2004,1(7), с. 19-31.

15. Гласс Р. Руководство по надежному программированию — М.: Финансы и статистика, 1982 г., с. 280.

16. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики — М.: Наука, 1987 г., с. 552.

17. Григорьев А. Б. ОРС средство общения разнородных систем // Промышленные АСУ и контроллеры, №4,2002

18. Грис Д. Наука программирования: пер. с англ. / Под ред. А.П. Ершова — М.: Мир, 1984. с. 415.

19. Громов B.C., Покутный А.В., Вишнепольский Р.Л., Тимофеев В.Н. Особенности проектирования распределенных АСУ ТП // Мир компьютерной автоматизации №5, 2001 г.

20. Дансмур М., Дэйвис Г. Операционная система Unix и программирование на языке Си: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989 г., с.192.

21. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных, 6-е издание. — К., М., СПб.: Издательский дом "Вильяме", 2000. с. 848.

22. Джосьютис Н. С++ Стандартная библиотека. Для профессионалов. — СПб.: Питер, 2004, с. 730.

23. Документация к системе TRACE MODE 4.2, М.: AdAstra, 1997 г.

24. Дрейзин В.Э, Ишков П.Н. Проблемы создания АСУ ТП на базе современных программно-технических комплексов // ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ. Управление, Контроль, Диагностика, №12,2002 г.

25. Елманова Н.З., Трепалин С.В. Delphi 4: технология СОМ. М.: Диалог-МИФИ, 1999 г., с. 320.

26. Еремеев И.С. Устройства сжатия информации. М.: Энергия, 1980 г.

27. Еремин А. Продукты компании Citect инструментарий для создания комплексных сибтем управления технологическими процессами // Средства и системы промышленной автоматизации, http://www.asutp.ru/?p=600449

28. Зиглер К. Методы проектирования программных систем: Пер. с англ. М.: Мир, 1985 г., с. 328.

29. Извеков Я.О. Минимизация времени выполнения линейных программ // "Проектирование специализированных вычислителей и управляющих систем", Иркутск: изд-во Иркут. ун-та, 1984, с. 45-46.

30. Извеков Я.О., Миронов Н.М. Визуализации потоков данных, регистрируемых системой реального времени // Материалы 2-й Всерос. научн.-техн. конф. "Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий", Улан-Удэ, 2001 г., с. 170-173.

31. Извеков Я.О., Мухопад Ю.Ф. Адаптивное представление информации в системе регистрации быстропротекающих процессов // Материалы Всесоюзн. конф. "Микропроцессорные системы", Челябинск, 1984 г., с. 147-148.

32. Извеков Я.О., Ширапов Д.Ш. Моделирование информационно-измерительных систем // Материалы Всерос. конф. "Инфокоммуникационные и вычислительные технологии и системы", Улан-Удэ, 2003 г., с. 145-149.

33. Йордан Э. Структурное проектирование и конструирование программ: пер. с англ. / Под редакцией Л.Н. Королева М.: Мир, 1979 г., с. 416.

34. Кабаев С. inTouch восходит на вершину // Средства и системы промышленной автоматизации, http://www.asutp.ru/?p=600179

35. Кабаев С.В., Хреляц С. Пакет программного обеспечения Intouch система мониторинга и управления в объектах промышленной автоматизации // Средства и системы промышленной автоматизации, http://www.asutt).rii/?p=600195

36. Кейслер С. Проектирование операционных систем для малых ЭВМ: Пер. с англ.- М.: Мир, 1986 г., с. 680.

37. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ т1. Основные алгоритмы: Пер. с англ. М.: Мир, 1976 г., с. 735.

38. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ т2. Получисленные алгоритмы: Пер. с англ. М.: Мир, 1977 г., с. 720.

39. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ тЗ. Сортировка и поиск: Пер. с англ. М.: Мир, 1978 г., с. 840.

40. Куцевич Н.А. Новые технологии и MMI-системы // Средства и системы промышленной автоматизации, http://www.asutp.ru/?p=600054

41. Куцевич Н.А., Жданов А.А. Программное обеспечение систем контроля и управления и Windows-технологии // Москва, "Мир компьютерной автоматизации" №3, 1999 г.

42. Лешек А. Мацяшек Разработка информационных систем с использованием UML- М.: Издательский дом "Вильяме", 2002 г.

43. Липаев В.В. Проектирование программных средств М.: Высшая школа, 1990 г.

44. Лисков Б., Гатэг Дж. Использование абстракций и спецификаций при разработке программ: Пер. с англ. М.: Мир, 1989 г., с. 424.

45. Любарский Ю.Я. Интеллектуальные информационные системы. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1980 г., с. 232.

46. Майерс Г. Надежность программного обеспечения: пер. с англ. / Под редакцией В.Ш. Кауфмана. М.: Мир, 1980 г., с. 360.

47. Маклаков С.В. Case-средства разработки информационных систем М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 1999 г.

48. Митюшкин К.Г. Контроль и телеуправление в энергосистемах. — М.: Энергоиздат, 1990,288с.

49. Муромцев Ю.Л., Тютюнник В.М., Кабанов А.А. Информационные технологии энергосбережения и повышения качества на базе системы TRACE MODE // Управление, Контроль, Диагностика, №8, 2002 г.

50. Мухопад Ю.Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. Новосибирск: Наука, 1981 г.

51. Мякишев Д.В., Балашов А.И., Наконечный С.В. Метод эталонных моделей, как основа проектирования программного обеспечения комплексов управления технологическими процессами // Управление, Контроль, Диагностика, №9, 2002 г.

52. Новоселов О.Н, Фомин А.Ф. Основа теории и расчета информационно измерительных систем. — М.: Машиностроение, 1980 г.

53. Пратт Т. Языки программирования, разработка и реализация: Пер. с англ. — М.: Мир, 1979 г.

54. Программно-технический комплекс для построения автоматизированных систем диспетчерского управления (СИСТЕЛ), описание // http://www.istc.kiev.ua/~santana/tm/Systel/products.html

55. Система телемеханики "ОМЬ", описание // http://www.mir-omsk.ru/img/asduom.pdf

56. Система технического учета электроэнергии "Телеучет", описание // http://www.cts.spb.ru/teleuchet.htm

57. Страуструп Бьерн Язык программирования С++. М.: изд. "Бином", 1999 г., 990 стр.

58. Тэллес Мэтт Borland С++ Builder. Санкт-Петербург, изд. "ПитерКом", 1998 г., 502 стр.

59. Терентьев В. Расширение возможностей InTouch и IndustrialSQL Server в версии 7.1 // Средства и системы промышленной автоматизации http://www.asutp.ru/?p=600379

60. Фостер Дж. Автоматический синтаксический анализ. / Пер. с англ. М.:Мир, 1975. с. 71.

61. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Использование протоколов IPX, SPX, NETBIOS. М.: "ДИАЛОГ-МИФИ", 1993 г., с. 160.

62. Холстед М.Х. Начала науки о программах / Пер. с англ. В.М. Юфы — М.: Финансы и статистика, 1981 г., с. 128.

63. Чеппел Дэвид. Технологии ActiveX и OLE. М.: Издательский отдел "Русская редакция" ТОО "Channel Trading Ltd.", 1997 г.

64. Чижов А.А. Системные программные средства ПЭВМ: Справочник М.: Финансы и статистика, СП ПараГраф, 1990 г., с. 415.

65. Чистяков В.Ю. СОМ потоки и контексты // М.: Технология Клиент-Сервер, 4 квартал 2000 г.

66. Янг Ч. Алгоритмические языки реального времени. Конструирование и разработка: Пер. с англ. / Под редакцией В.В. Мартынюка. М.: Мир, 1985 г., с 400.

67. Язык Си для профессионалов М.: "И.В.К. - СОФТ", 1991 г., с. 382.

68. GENESIS32, описание системы http://www.prosofit.ru/catalog/iconics/70. iFix, описание системы — http://www.gefanucautomation.com/special/features/default.asp

69. Iwanitz Frank, Lange Jiirgen OPC Fundamentals, Implementation and Application — Huthig Fachverlag ISBN 3-7785-2883-1,2002 r.

70. TraceMode программы и компоненты -http://www.ipc2u.rU/e/sol.nsf/pages/TraceMode Soft.html