автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Комплекс технических средств информационной поддержки принятия решений по оперативному управлению объектами судовой электроэнергетики

На правах рукописи

Нгуен Минь Дык

КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОПЕРАТИВНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ОБЪЕКТАМИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1У ДЕК 2013

Санкт-Петербург -2013

005544311

005544311

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина), на кафедре систем автоматического управления

Научный руководитель: Леута Алексей Александрович,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Ясаков Геннадий Серафимович,

доктор технических наук, профессор, Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н. Г. Кузнецова, заслуженный деятель науки РФ.

Бубнов Евгений Александрович, кандидат технических наук, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, доцент кафедры корабельных систем управления.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный мор-

ской технический университет

Защита диссертации состоится «23» декабря 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.238.05

И'

Белов Михаил Петрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Объекты судовой электроэнергетики относятся к классу сложных технических объектов, так как являются многокомпонентными и многоконтурными. Взаимодействие между компонентами происходит в различных режимах и характеризуется многими параметрами под управлением локальных систем автоматического регулирования и централизованных систем автоматизированного управления.

На протяжении многих лет автоматизации функций управления, контроля и регулирования параметров и защит судовых электроэнергетических объектов уделялось самое пристальное внимание. Постоянно совершенствовались элементная база и алгоритмы функционирования, о чем свидетельствуют труды Токарева JI.H., Ясакова Г С., Максимова Ю.И. и Павлюченкова A.M., Баранова А.П., Королевой Т.Н. и многих других ученых, разработчиков и создателей судовых объектов электроэнергетики. Однако безвахтенная эксплуатация таких объектов практически не осуществляется из-за возможности наступления очень опасных последствий. В функции оператора входит слежение за состоянием объекта в нормальных режимах и вмешательство в работу объекта в особых случаях и режимах. Оперативное управление такими ответственными объектами требует от операторов повышенной концентрации внимания, безошибочности принятия решений и их своевременного осуществления. Важнейшей задачей является локализация предаварийной и аварийной обстановки, поэтому в помощь операторам на автоматизированные рабочие места выводится необходимая для этого информация. Эволюция технических средств, выполняющих эту функцию, последовательно проходит этапы развития от приборных панелей и простых систем допускового контроля к встраивамым системам диагностики, с использованием традиционных технологий моделирования поведения объектов средствами классической теории управления. Это говорит об актуальности задачи оказания информационной поддержки операторам таких сложных и ответственных объектов.

Вместе с тем, зарождение и существование новой теории «нечетких» множеств (Fuzzy Sets), предложенной математиком Лотфи Заде в 1965 г., а так же ее развитие последователями (Мамдани (Mamdani), Ассилианом (Assilian), Холмбладом (Holmblad), Остергадом (Osregaad) и многими другими) в методы «нечеткой» логики и «нечеткого» вывода, дают основания для успешной реализации и автоматизации предполалаемой технологии имитации обработки информации человеком (оператором), который, при определенных условиях, и в большей части успешно, способен находить решения и осуществлять функции оперативного управления объектами любой сложности, не используя методы классической теории. Поскольку примеры использования новой теории в различных сферах деятельности доказывают ее эффективность и универсальность, есть основания надеяться на эффективность ее использования и в сфере судовой электроэнергетики в частности, при реализации функций управления или информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении. Исследования и разработки в данном направлении могут найти применение не только в новых проектах судов, кораблей и других технических средств флота, но и на объектах уже находящихся в эксплуатации, подлежащих ремонту и модернизации.

Цель работы - снижение субъективных факторов в процессах оперативного управления объектами судовой электроэнергетики путем внедрения систем информационной поддержки операторов с автоматизацией функций сбора и обработки данных, анализа предшествующих, текущих состояний и перспективных событий и предоставления оператору оптимизированных рекомендаций к оперативным действиям

В диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи: 1. Провести анализ режимных параметров систем и объектов судовой электроэнергетики с целью определения перечня параметров, необходимых для использования в системе информационной поддержке принятия решений по оперативному управлению объектом. {

2. Разработать и проверить прототип математической модели для систем и объектов судовой электроэнергетики, способной непрерывно функционировать в условиях эксплуатации объектов, в составе систем информационной под держки, и обеспечивать своевременную информационную поддержку оператора в оперативном управлении объектом, способствующую снижению аварийности и/или минимизации отрицательных последствий аварий. Для чего использовать метод формального описания параметров ввода и вывода данных, методы обработки данных и формирования выводов по оперативной оценке состояний и тенденций изменений, метод формирования вывода информации в виде сообщений оператору СОЭЭ.

3. Разработать алгоритм и аппаратно-программные средства реализации и проверки метода оперативной оценки состояний СОЭЭ для локализации предаварийной и аварийной обстановки.

Методика исследования. В работе использованы методы математического моделирования систем, описываемых дифференциальными уравнениями, методы теории нечетких систем, включая подразделы нечеткой логики и нечеткого вывода, методы структурного анализа и проектирования информационных систем, организации баз данных и принципы объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Прототип математических моделей сложных объектов судовой электроэнергетики с использованием методов теории нечетких систем.

2. Алгоритм реализации механизма теории нечеткого вывода и представления информации, на основе данных контроля и анализа режимных параметров.

3. Комплекс технических (аппаратно-программных) средств, реализующих алгоритмы контроля режимных параметров, анализа состояний и информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики.

Научная новизна работы содержится:

1) в построении, для сложных объектов судовой электроэнергетики, комплексных математических моделей с использованием методов теории нечетких систем, способных непрерывно функционировать в режиме эксплуатации объектов и, на основе анализа текущих значений режимных параметров, в реальном масштабе времени, формировать управляющие воздействия или информирующие, рекомендательные или управляющие сообщения для оперативного управления объектами.

2) в разработанном алгоритме реализации механизма теории нечеткого вывода и представления информации, на основе данных контроля и анализа режимных параметров, для информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики.

3) в разработанных структурных, схемотехнических и программных решениях для комплекса технических средств информационной поддержки принятия решений по оперативному управлению объектами судовой электроэнергетики с целью повышения эффективности и безаварийности их эксплуатации.

Практическая значимость работы. В ходе диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана и проверена методика моделирования функционирования нечеткой системы поддержки принятия решений (в управлении СЭЭО) с использованием одного информационного параметра на примере регулирования выходного напряжения и защитного отключения по отклонению напряжения от заданного диапазона), без использования формального описания на основе классической теории управления в виде дифференциальных уравнений и традиционных уравнений регуляторов.

2. Разработана и проверена методика нечеткого математического моделирования сложных многопараметрических компонентов и систем на их основе для функционирования многопараметрической нечеткой системы поддержки принятия решений (в управлении слож-

ным объектом) на примере статического преобразователя электроэнергии, с использованием параметров, в том числе не имеющих традиционного математического описания.

3.Показано, что методики, опробованные на данных примерах, могут быть распространены на такие объекты судовой электроэнергетики, как централизованные и распределенные системы вторичного электропитания аппаратуры судовых технических комплексов, СЭЭС, ГЭУ и т. п.

4. Разработаны, изготовлены и испытаны образцы аппаратно-программных средств отвечающих целям и задачам реализации метода анализа режимных параметров СЭЭО и оперативной информационной поддержки оператора. Метод основан на использовании теории нечеткой логики и нечеткого вывода о состоянии СЭЭО и алгоритма, реализующего функции контроля параметров, анализа состояний СЭЭО и информационной поддержки в оперативном управлении СЭЭО для снижения аварийности в процессе эксплуатации.

Полученные в работе результаты могут быть использованы на практике."

- при разработках систем управления и электроэнергетических объектов новых проектов судов и других средств флота;

- при модернизации уже находящихся или бывших в эксплуатации судов или технических средств;

- в учебном процессе, как при подготовке молодых специалистов, так и на курсах повышения квалификации работников промышленных и проектных предприятий, а также преподавателей.

Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе кафедры САУ ФЭА СПбГЭТУ «ЛЭТИ» дан в приложении.

Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы в промышленном производстве приводится в приложении.

Апробация работы. Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры САУ СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2010, 2011 г.

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работ, в том числе 5 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Мино-брнауки России, 1 статья в другом издании, 1 доклад на научно-технической конференции.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав основного материала, заключения, библиографического списка из 77 наименований и 7 приложений. Работа содержит 153 страниц (с приложениями) машинописного текста, включая 43 рисунка и 2 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы - обосновывается актуальность диссертационной работы, формулируется цель и задачи исследования, перечисляются методы исследования, отмечается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава диссертации посвящена анализу предпосылок и постановке задачи создания систем информационной поддержки операторов систем и объектов судовой электроэнергетики, а также исследованиям характерных объектов судовой электроэнергетики с целью анализа используемых технологий контроля их состояний, оценки качества функционирования, возможности обнаружения изменений предшествующих авариям.

Ввиду высокой ответственности систем и объектов судовой электроэнергетики за нормальную эксплуатацию судна, корабля или другого технического средства флота, эти объекты остаются под контролем дежурных операторов, несмотря на высокие достижения в их автоматизации. В процессе эксплуатации, роль оператора может существенно изменяться от простого наблюдения в нормальных режимах, до непосредственного вмешательства в управление объектом, в особых режимах изменений схемы коммутации компонентов, в предава-рийных и в аварийных режимах.

Рис. 1. Структур» процесса принятия решении в оперативном управлении объектами судовой х1сктро>мсргст1ки

Анализ схемы принятия решений в оперативном управлении судовыми электрогэнерге-тнческими объектами показывает, что оператор, используя предоставляемую ему информацию. навыки и опыт осушествл1ет анализ данных, опенку состояний и выбор решений, необходимых для осушосгвлення возникающих задач таким образом, как это показано на рис. I.

Математическую модель процесса выработки управляющих воздействий или рекомендаций У(Р) можно описать в следующих выражениях:

У(Р) (У,....Ук). (I)

и

У(Р)-В«{С,...С.) - В,1В„{П,...П.»), (2) г,»с: С^, ,-В(П,...П„).

что означает: оператор выбирает одно из списка возможных управляющих воздействий и выбор (Вс) осуществляется на основе анализа состояний и ситуаций (СО. которые определяются в результате контроля и оценки (В„) поступающих от объекта данных о режимных параметрах (П,).

В условиях необходимости принятия быстрых, безопасных и. по возможности. оптимизированных решений. желательно снизить зависимость от чисто субъективной составлиошсй процесса выбора, то есть постараться хотя бы частично его автоматизировать. Поэтому задача совершенствования технологий и средств информационной поддержки оператора представляется актуальной.

В работе обосновывается возможность автоматизации функций рассмотренной на рис-1 схемы принятия решений с помощью комплекса технических средств и методов, которые обеспечивают достижение желаемой цели в виде системы информационной поддержки принятия решений (СИП ПР) в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики. При этом выражения (1) и (2) принимаются как основа в построении и использовании встроенной. постоянно действующей математической модели объекта и механизма принятия решений.

По существующим технологиям для оперативною управления оператор может использовать информацию, предоставляемую в виде мнемосхем, панелей сигнализации, приборных панелей, включая виртуальные Однако следует учитывать, что наличие традиционных систем домускового контроля параметров, а также разработки и внедрения систем технической диагностики, помогают оператору в решении только части необходимых функций при подготовке к действиям, поскольку они отражают уже случившиеся события и не дают рекомендаций к оперативному управлению объектом. То есть эти системы не только желательно объединить в одно целое, но и, как будет показано в данной работе, существенно переработать в плане используемых техзологий обработки данных.

В работе рассмотрены Iпримеры характерных объектов судовой электроэнергетики, функционирующих под управлением дежурных операторов. На рис. 2 и рис. 3 приведены структуры рассмотренных объектов виде многоуровневых схем. отражающих потоки данных. концентрирующихся иа рабочих местах операторов. Это позволяет эффективно контролировать состояния компонентов и прогнозировать тенденции развития событий.

Г1о представленной на рис.2 структуре СЭЭС, по аналогии с выражением)?), математическая модель функционировании СИППР может быть описана выражением:

У(Р)епс" BCJCituii, Сгищ.CAHU.CIHIIB.CKAJ. (3)

Раскрывая компоненты, кониентрирующие информацию от нижних уровней структуры, получим:

У(Р) о* - Bei I Ве:{ Ссга.....СоАО. Сдда . С.}Сщш... ,СКА}. (4)

или:

У(Р)сэтс-Ве,{ В,;( Вс>{ Вс4{ Вс!{CtAMii-i-».. . Ссляч.-15,Спсд }.С„)С,1Ш£... ,СКа>. (S) при Cj-Bjjn.....П.);

где. таниси Вс{Сгрщ i.Сц-щj.Cauu. Сщпь, Ска) И Bj{rii,... П,„) означают функции вывода на основании данных по состояниям компонентов н по режимным параметрам.

Наиболее полное представление о состоянии объекта в целом, можно получить если будут учитываться режимные параметры отдельных компонентов, например по ГРЩ1 и ГРЩ2, ЩПБ. ЛРЩ, которые в свею очередь концентрируют данные по входящим в их состав устройствам иди подключенным агрегатам и потребителям. Оценивать состояния генераторных агрегатов следует не только по параметрам качества вырабатываемой злсктрознер-гнн, но и на основе данных по подсистемам. Поэтому в выражениях (3...S) представляющих магматическую модель СЭЭС, для наиболее полного представления о текущих состояниях и тенденциях к их изменениям. должны учитываться не только традиционные для подобных объектов режимные параметры (напряжения, токи и т.д.), но и режимные параметры нолек-тричсской природы (температуры, давления и т.п.). Например, решение о выборе и запуске генераторного агрегата в работу, при наличии альтернатив, может быть оптимизировано на основе данных о параметрах и состояниях подсистем, в том числе с учетом данных по эксплуатации в предшествующие периоды. Возможности разрабатываемой системы ИППР должны зго обеспечивать.

Модель СЭП в СИППР может быть описана выражениями:

У(Р)еэп- Вс(Спг i.Cnrз. СПРЗ); (6)

где Спп-В{Сапс.Сиц. Св<.г1.С<-1|| };

Cr» j- В (C«ac2.C«dcm. С<1хи. С«ны1. Своп:. С<и:} Сш>1" В(С,АО I. CiACJ.S. С,АС) >. CtletJ. Coo>: C«ACi~ В {Св-ncn Св-рс.. Си-аш} I Ск[Х|= В 'С'ц-осн. Св-рг.}

при Cj .........П.};

Каждый HJ представленных на структурах уровень компетентности характеризуете* набором параметров, на основании которых можно оиенивагь состояния. ситуации и события по отдельным компонентам объектов. Аналогично можно построить модели для любых объектов судовой электроэнергетики. При этом в качестве исходных данных для контроля и анализа состояний объектов одновременно присутствуют уже рассмотренные электрические и неэлектрнческие параметры.

Распространенные в настоящее время технологии подготовки данных и информирования оператора заключаются в измерениях и оценках значений контролируемых параметров, в общем виде описываемых выражениями:

X щш<Х[< Хшах; и ддга, - Х~Х" -100%, (7)

как для статических, так и для динамических режимов.

Конкретные параметры и характеристики показателей качества электроэнергии подробно излагаются в материалах ГОСТ, морских и речных регистрах для соответствующих категорий и классов объектов. Для параметров, не входящих в перечень показателей качества электроэнергии, критерии оценки приводятся в паспортных данных, формулярах или руководствах по эксплуатации. Это дает возможность сформировать только простейшую модель объекта, содержащую пороговые значения режимных параметров и технически реализуемую системами порогового контроля. Для поставленных в работе целей этого явно недостаточно, такая система автоматизирует только лишь регистрацию факта наступления событий, остальное остается за оператором, а если вернуться к рассмотренным структурам, то объем данных может быть слишком велик для восприятия и неавтоматизированной обработки оператором.

В развитие технологии СИППР может быть рассмотрен вариант использования оценки динамических характеристик по наблюдениям изменяющихся значений контролируемых параметров. Хорошо известно, что математические модели, разработанные на основе уравнений Горева-Парка, дают возможность расчитать кривые параметров в переходных процессах для систем автоматического регулирования и по ним оценить качество функционирования данных систем, в виде оценок частных критериев (например, Т - время регулирования (переходного процесса), а - перерегулирование, АЛ - максимальное отклонение («провал») регулируемого параметра), или в виде оценки обобщенного функционала

Р(Х)дя = Та^ц)., (8)

вычисляемого как сумма частных показателей качества. Однако практика применений и рассмотренные в данной работе примеры математических моделей таких объектов показывает, что традиционные математические модели на основе дифференциальных и интегральных исчислений успешно применяются лишь для отдельных компонентов и на отдельных стадиях проектирования подобных объектов. Причем при разработке таких математических моделей в большинстве случаев делаются существенные упрощения, характерные для отдельных режимов и схем соединений. В итоге полученные математические модели могут отражать лишь частные случаи во всем многообразии эксплуатационной практики объектов судовой электроэнергетики.

Кроме этого, классический метод моделирования, не охватывает всего перечня параметров, характерных для общей оценки качества функционирования данных объектов. На примере СЭЭС видно, что вне поля зрения таких моделей остаются многие сопутствующие параметры, не имеющие сколько-нибудь точных математических описаний в виде дифференциальных уравнений. Это не только наличие, но и параметры (температуры, давления) технических жидкостей подсистем обеспечения, температуры подшипников, мест контактных соединений коммутационной аппаратуры и шин ГРЩ и т. д. На примере СЭП и статических преобразователей - это также температуры отдельных элементов силовых схем, температура и давление отдельных элементов конденсаторных батарей, вытекание электролита, наличие и интенсивность охлаждающих потоков и др.

Очевидно, что построение общей математической модели для подобных объектов, способной охватить все режимы эксплуатации и функционирующей в реальном масштабе времени, является проблемой при использовании классических технологий.

В целом, анализ текущего состояния технологий и средств, трандиционно применяемых в области контроля и сигнализации, стабилизации и регулирования параметров, а также

управления сложными многокомпонентными и многосвязными системами и объектами судовой электроэнергетики показал, что имеется ряд проблем, решение которых требует поиска новых и эффективных технологий, методов и средств, или изыскание резервов совершенствования уже применяемых. В качестве такого резерва для совершенствования СИППР предлагается использовать теорию нечетких множеств, конкретно разделы нечеткой логики и нечеткого вывода, объединяемых в общее понятие нечетких систем.

Вторая глава посвящена вопросам создания и проверки функционирования математических моделей для объектов судовой электроэнергетики с использованием аппарата теории нечетких систем.

Кратко излагаются основания для использования аппарата теории нечетких систем применительно к объектам судовой электроэнергетики. Приводятся конкретные примеры, раскрывающие суть методов теории нечетких систем, технологию создания и проверки функционирования математических моделей нечетких систем для объектов судовой электроэнергетики.

Теория нечетких систем, разработанная как основа моделирования интеллектуальной деятельности человека с целью расширения сферы приложения систем автоматизации за пределы применимости классической теории, использует понятия нечетких множеств, лингвистических переменных и их значений (термов). Доказано, что оперируя этими понятиями, стало возможным с помощью естественно-языковых высказываний-правил «Если - то», с последующей их формализацией средствами теории нечетких множеств, сколь угодно точно отразить произвольную взаимосвязь «вход-выход» без использования сложного аппарата дифференциального и интегрального исчислений, традиционно применяемого в управлении и идентификации.

Простая модель нечеткой системы управления преобразователем электроэнергии с одним входом и несколькими выходами может быть построена с использованием очевидных и понятных лингвистических переменных и небольшим числом высказываний-правил следующим образом.

Выходное напряжение преобразователя (или генераторного агрегата), представленное как входная лингвистическая переменная, может принимать следующие значения: НИЗКОЕ, НОРМАЛЬНОЕ, ВЫСОКОЕ. Это дает основание прийти к заключению в терминах ОПАСНО, НЕ ОПАСНО и далее сформулировать рекомендации или управляющие воздействия, например в терминах ОТКЛЮЧИТЬ (ПРЕКРАТИТЬ РАБОТУ), ОСТАВИТЬ БЕЗ ИЗМЕНЕНИЙ (ПРОДОЛЖИТЬ РАБОТУ), или РЕГУЛИРОВАТЬ УМЕНЬШАЯ, ОСТАВИТЬ БЕЗ ИЗМЕНЕНИЙ, РЕГУЛИРОВАТЬ УВЕЛИЧИВАЯ. Очевидность и простота подобных выводов и решений показывает, что и человек, и система нечеткого вывода, при определенных условиях, в принципе, способны выполнять задачи управления, не пользуясь классическим аппаратом математического описания системы в дифференциальных уравнениях. Схема решения рассмотренных задач заключается в выполнении трех последовательных этапов: интерпретация входных данных; вывод - предупреждение (сигнализация); вывод - рекомендация или управление, в зависимости от того рассматриваем ли мы систему автоматического регулирования (контроллер) или систему информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении объектом (СИП ПР).

Кажущееся сходство рассмотренного примера с системами допускового контроля, опровергается тем, как обрабатывается исходная информация. В нечетких системах изначально предполагается, что исходная информация неточна (размыта) в пространстве универсума Х=[0,10], в качестве которого выбран замкнутый интервал действительных значений напряжения от 0 В до С/мах, и может быть соотнесена с некоторыми областями универсума, которые могут иметь пересечения, как показано на рис. 4 для рассмотренного далее примера.

Степень принадлежности измеренного значения входного параметра (в данном случае напряжения) к конкретной области (областям) определяется специальными функциями (функцией принадлежности цА(х) =/,(х,; = [0,1]), имеющей одну из типовых форм: 2-

и

образную; трапециевидную и ^-образную. Выбор типа функций принадлежности в каждом конкретном случае решается путем экспертной оценки, исходя из некоторого представления о характере изменения параметра на наблюдаемом интервале. На рис. 4 показано, как отражается конкретное измеренное значение и = 6.5 на значении функций принадлежности к терминам (термам) НИЗКОЕ (^¡(х) = 0.3) и НОРМА (цгМ =0.68), при этом видно, что для терма ВЫСОКОЕ - значение Цз(х) = 0. Дальнейшая обработка данных производится с учетом полученных значений функций принадлежности, правил и методов нечеткого вывода. Если предположить, что в примере контроллера достаточно использовать три правила обработки данных:

Правило 1: Если напряжение <ВЫСОКОЕ>, ТО следует его <УМЕНЫИАТЬ>;

Правило 2: Если напряжение <НОРМА>, ТО: СОСТАВИТЬ без изменения>;

Правило 3: Если напряжение <НИЗКОЕ>, ТО: следует его <УВЕЛИЧИВАТЬ>, то видно, что правило 1 оказывается неактивным из-за нулевого значения функции принадлежности, а правила 2 и 3 активны. Причем их активность пропорциональна соответствующим значениям функций принадлежности по входной переменной. Отразив эти значения на пространстве выходной переменной, получим фигуру, выделенную цветом, как показано на рис. 4, а вычислив центр тяжести этой фигуры (в соответствии с одним из методов нечеткого вывода), получим проекцию на ось выходного параметра, т. е. положение регулирующего органа в интервале допустимых значений (от 0 до максимума). Что и даст конкретное значение результату по шкале выходного параметра (в данном случае 6 из 10 возможных).

^{напряжение)

Рис.4. Вид функций принадлежности для входной переменной (напряжение) и интерпретация измеренного значения U= 6.5 (o.e.).

Y (i'vpa« wiiiiijJ

Рис. 5. Вид функции принадлежности для выходной переменной (управление) и интерпретация полученного результата (положение органа управления = 6 o.e.).

Рассмотренный пример показывает, что в результате, положение органа управления, должно соответствовать отметке 6 (по оси X на рис. 5) и может восприниматься как стремление к очень небольшому увеличению напряжения и, таким образом, оно изменится, переместившись в точку за пределами значения 7 или в окрестностях значения 7.25 (по оси X на рис. 4). Тогда значение функции принадлежности окажется равной 1 для терма НОРМА и нулю для термов НИЗКОЕ и ВЫСОКОЕ. Активным останется только правило 2 и новое значение регулирующего органа будет установлено в положение 5 как центре тяжести фигуры, образованной термом ОСТАВИТЬ (без изменений). Регулирование прекратится и будет возобновлено только тогда, когда результат измерения напряжения и обработка покажут необходимость в увеличении или уменьшении напряжения.

Аналогичный пример легко воспроизвести для любого из параметров, который необходимо учитывать в оценке качества функционирования и состояний систем и объектов судовой электроэнергетики, что показывает универсальность данного метода. Важнейшим свойством рассмотренного метода является принципиальная возможность включения всех необходимых параметров в одну математическую модель, в том числе не поддающиеся строгому математическому описанию. Именно это дает преимущество данной теории управления по сравнению с классической.

В доказательство данного утверждения в процессе исследований выполнены экспери-

менты по моделированию нечетких систем с возрастанием сложности объектов (рис. 6 ) за счет увеличения числа параметров, числа термов для переменных, скорости их изменений и времени нахождения в опасных зонах. Моделирование и исследования производились в среде MATLAB Fuzzy Logic Toolbox. При этом использованы методы и технологии формального описания исходных данных и этапов обработки в соответствии с обобщенным алгоритмом:

Подготовительные этапы:

1. Все параметры системы приводятся к виду формального описания согласно теории нечетких множеств, т.е. весь возможный диапазон параметра разбивается на нечеткие поддиапазоны, которые описываются функциями принадлежности определенного выбранного вида (Z-образные; Треугольные; Трапециевидные; колоколообразные; F-образные; S-образные и др.) возможно с перекрытием, что собственно и определяет нечеткость данных, как показано на рис. 4, где по оси абсцисс отложено значение параметра, по оси ординат -численное значение функции принадлежности.

2. Формируются базы правил нечеткого вывода, имеющие вид:

Если <Tj> соответствует < Nk >, то Вывод < Nm

> и Действие < Np >,

Если {(<Т, >=> < Nt >) u...(<Tj>

G О R ООО

Статический преобразователь

Схема преобразования электроэнергии

J\

S

Неметкая система управления

К системе верхнего уровня

UBl (VL.L,M,H.F)[ U^JVL.L.M^

WNH'Fi_,

Т (Y,N) _

Нечеткая система управления и сигнализации

Таймер T - (L.H) Таймер I Вь1= (L.H) Таймер UBuI- (L.H) dUBu/dt = (N.Z.P)

' (VS.S.M.H.VH)

Q (Y.N)

N (J .2,3,4,5.6.7,8) V ÇG.O.R)

6)

Рис. 6. Структура (о) и спецификация многопараметрической модели нечеткой системы (б) преобразователя

где: Т,- — результат измерения параметра, N¡1 - номер поддиапазона контролируемого параметра, Nm - номер вывода из базы данных вывода, Агр - номер действия из базы данных действий (сообщений, рекомендаций).

На этом процесс подготовки считается завершенным и нечеткую модель объекта можно применять, задавая различные значения входных переменных и анализом результатов.

Основной цикл состоит из этапов.

Этап 1: Ввод данных (или измеренных значений контролируемого параметра - а,) и фаззификация (приведение к нечеткости) - определение численных значений по принятым функция принадлежности Ъ] =тт{о (а,.)}, ля данного значения каждого параметра у = {а,, а2,..., ат};

Этап 2: Агрегирование подусловий ¿ис (х) = min(я:), /лв (х)};

Этап 3: Активизация или композиция подзаключений в нечетких правилах продукций.

/г(>>) = min {с,,/i(.y)};

Этап 4: Аккумуляция /JD(х) = mwt{(JA(x),fiB(x)}, Vx g AT ™

J x.//(x)dx

Этап 5: Дефаззификация - приведение результата к четкому виду: у = -

§ju(x)dx

Результаты, в виде численных значений (y„j по каждой выходной переменной, проверены и дают основание утверждать, что модели функционируют правильно. Значит, есть основания для развития и внедрения нечетких систем в практику построения и эксплуатации современных и перспективных объектов судовой электроэнергетики.

Третья глава содержит материалы разработки аппаратуры, алгоритмов и программного обеспечения комплекса технических средств системы информационной поддержки принятия решений (СИП ПР) в оперативном управлении судовыми электроэнергетическими объектами.

Определены структура и состав комплекса технических средств ИППР в обобщенном виде, применимом ко всем объектам судовой электроэнергетки. Рассмотрены возможные варианты реализации в зависимости от технологии внедрения системы (как для новых проектов, так и для судов находящихся в эксплуатации, ремонте и модернизации). Определены требования к аппаратуре, осуществлен выбор элементной базы и представлены варианты схемотехнических решений для аппаратной реализации технических средств нижнего уровня. Определены требования и рассмотрены варианты реализации аппаратуры верхнего уровня, характеризующиеся особенностями человеко-машинного интерфейса, включая интерактивность.

Аппаратура нижнего уровня системы должна включать датчики, устройства преобразования уровней сигналов и процессоры предварительной обработки для всей номенклатуры параметров, характеризующих состояния объекта в эксплуатации. Предварительная обработка данных должна включать: оцифровывание, запоминание, фаззификацию (приведение к нечеткости), определение производных и активизацию счетчиков времени нахождения значений параметров в особых или опасных зонах.

Аппаратура средних уровней должна выполнять функции обработки данных методами терии нечетких систем (агрегирование, активизация, аккумуляция и дефазификация) для выводов, как по параметрам (состояниям объекта), так и по развитию ситуаций.

Аппаратура верхнего уровня, как средства человеко-машинного интерфейса, должна обладать способностью вывода и отображения результатов обработки данных на конечном этапе и на любых более ранних этапах, по степени важности - автоматически, или в интерактивном режиме общения с оператором.

Несмотря на специфику и разнообразие объектов судовой электроэнергетики выявлено, что в номенклатуре аппаратных устройств измерения и предобработки достаточно иметь типовые измерители мгновенных значений напряжений, токов и температуры, а также типовые устройства ввода дискретных сигналов, как основных источников информации о режимных параметрах объектов.

В работе предложены и экспериментально проверены конкретные детализированные схемотехнические решения для устройств связи с объектом. Схемы имеют гальваническую развязку вход-выход и представляют собой универсальные унифицированные миниатюрные изделия, принятые к внедрению при создании централизованных систем бесперебойного электропитания ряда заказов. Универсальность изделий подтверждается возможностью применений для измерений любых параметров объектов судовой электроэнергетики, предварительно преобразованных в электрический сигнал.

Применение микроконтроллеров в составе аппаратуры низкого уровня обосновано их преимуществами перед другими вариантами реализации. Необходимые при этом алгоритмы функционирования процессора разработаны и реализованы в виде программного обеспечения широко распространенных PIC-микроконтроллеров (Microchip).

Алгоритм предварительной обработки данных выполняет задачи аппаратуры нижнего уровня: прием измеренных значений контролируемых параметров; определение опасности по длительности нахождения параметра в недопустимых диапазонах или вблизи них; определение скорости или ускорения изменений параметра и запоминание в базах данных (измерения и производные и таймеры).

Аппаратура средних и верхнего уровней, в зависимости от варианта внедрения, может быть реализована средствами промышленного компьютера или с помощью микроконтроллеров, например серии DSPic (Microchip).

Фрагменты алгоритмов представлены на рис. 7 и рис.8, и реализует задачи использования баз данных, фаззификации, агрегирования, активизации, аккумуляции, вывода.

Рззр. таймер Выкл. таймер Разр. таныер

. 1

Сохранение х

В 623УД2ВЕЫХ

База Д2ВВЫХ Текущих измерений параметров

1

1-.1

Рог / ю д.

Фаззнфша

БАЗА ДАННЫХ Формальные описания выходных пзрамгтров(т переменных): = К»у.|1и(«|/)1

за Сохранение

в буфер

Рис. 7. Фрагмент блок-схемы алгоритма

Приводится краткое описание и блок-схема алгоритма функционирования нечеткой системы информационной поддержки.

1. Получение измеренных данных: данные от датчиков параметров поступают в оцифрованном виде (двоичный код) X) и запоминаются в оперативной базе даны (ОБД1) - «первичные входные параметры»;

2. Вычисление производных данных входных параметров: определение скорости изменений входных параметров или чтение таймеров (продолжительность выхода параметра за допустимые пределы);

3. Запоминание входных данных и производных в буфере БД «История»;

4. Фаззификация: сравнение входных данных с данными БД «Формальные описания параметров» и определение порядковых номеров термов по каждому входному параметру и численных значений по соответствующим функциям принадлежности;

5. Агрегирование подусловий: определение отличных от 0 минимальных значений функций принадлежности при сочетании термов входных параметров;

6. Поиск и определение числовых значений (коэффициентов) истинности активных правил: для каждого правила из базы правил БП вычисляется значение истинности по ненулевому значению результата агрегирования;

7. Активизация: определение минимального значения по функциям принадлежности к активным термам выходных переменных базы данных БД «выходные параметры»;

8. Аккумуляция: определение максимальных из численных значений полученных на эта-

пе активизации для каждого агрегированного подусловия выходных термов (активных);

9. Дефаззификация: вычисление центра тяжести агрегированных термов выходных параметров. Получение четких результатов для вывода из баз управления (сообщений, комментариев).

Отмечается, что совокупность баз данных и баз правил, формализованных предложенными методами, образует базу знаний об объекте, как это принято называть в разработках систем искусственного интеллекта и наполнение такой базы знаний может осуществляться при участии на основании опыта и знаний экспертов по конкретным типам объектов. Возможна и желательна так же организация режима постоянного самообучения путем накопления данных в процессе эксплуатации. Сочетание наполненной базы знаний об объекте с предложенными аппаратно-программными средствами вывода на основе методов нечеткой логики, организованных в соответствии с предложенными иерархическими структурными ...... "г .......

схемами, в том числе с распараллеливанием

процессов обработки данных, позволяет функционировать данному комплексу в реальном времени, что отвечает поставленным в данной работе целям. При этом показано, что возможны реализации КТС ИППР, как в новых проектах, так и на объектах находящихся в эксплуатации.

Приводятся материалы, иллюстрирующие варианты реализации аппаратуры верхнего уровня: средств человеко-машинного интерфейса для вывода информации (данных, рекомендаций и сообщений) в удобной для оператора форме, с учетом требований по органолептике и эргономике.

Приложения содержат материалы, иллюстрирующие исследования информативности параметров объектов судовой электроэнергетики математическим моделированием компонентов СЭЭС по классическим технологиям; материалы построений и использования примеров нечетких моделей объектов судовой электроэнергетики; иллюстративные матералы сопровождающие разработку комплекса технических средств системы информационной поддержки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе обоснована необходимость и целесообразность использования методов теории нечетких систем в оперативном управлении сложными объектами судовой электроэнергетики, позволяющих автоматизировать основные функции оператора при анализе данных и выработке решений, и тем самым снижать субъективный фактор выработки решений в особых условиях и режимах эксплуатации объектов.

2. Проведено построение и проверка функционирования математических моделей нечетких систем управления или поддержки принятия решений по управлению, как для отдельных компонентов, так и для сложных объектов судовой электроэнергетики, позволяющих учитывать все необходимые режимные параметры объектов, как электрической, так и неэлектрической природы и, в том числе, не имеющие строгого математического описания в виде дифференциальных уравнений.

©

¡=1 з:

Активна алия кзг^-мулхшк

Рсг} =1 Ь я*

БАЗА ДАННЫХ ФсрзЛЛЪ с^жзнна выходных тнрэйвных):

г, - тМл,)1

Т

дефаззификапия

Выводы

БАЗА ДАННЫХ <БЕ4 ЕсазнЕЖиав

0 1 I < Бэ34 ЕСаЗНЕТЗРИЗ ■•_________________________

Риг Я. (ЪпягМРНТ <1ГТПК--ГХРМЬГ ЯПГППИТМЯ

3. Разработана многоуровневая структура и определен состав комплекса технических средств ИППР, которые могут быть реализованы на основе недорогих микропроцессорных устройств, особенно в аппаратуре нижнего уровня. Рассмотрены варианты схемотехнических решений аппаратной части комплекса. Разработаны соответствующие структуре и составу КТС алгоритмы функционирования и программное обеспечение. Разработаны требования и проработаны варианты реализации человеко-машинного интерфейса системы ИППР.

4. Сформулированы подтверждающие поставленные в работе основные практически значимые и выносимые на защиту научные результаты.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в изданиях, включенных в перечень ВАК:

1. Леута А. А., Нгуен Ч. Ч., Нгуен М. Д. Математическая модель компонентов судовых электроэнергетических систем как составная часть технологии испытаний систем автоматического управления // Известия государственного электротехнического университета. Сер. «Автоматизация и управление». СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ».20Ю. №2. С. 25 - 30.

2. Леута А. А., Нгуен М. Д., Нгуен Ч. Ч. Информационная поддержка принятия решений по оперативному управлению объектами судовой электроэнергетики с применением методов нечеткой логики // Известия государственного электротехнического университета. Сер. «Автоматизация и управление». СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. №1. С. 61 - 67.

3. Леута А. А., Нгуен Ч. Ч„ Нгуен М. Д. Решение проблем управления судовыми электроэнергетическими объектами с использованием методов оптимизации и нечеткой логики // Известия государственного электротехнического университета. Сер. «Автоматизация и управление». СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. №8. С. 56 - 63.

4. Леута А. А., Нгуен М. Д. Моделирование системы информационной поддержки в оперативном управлении электроэнергетическим объектом на примере многопараметрической нечеткой модели статического преобразователя электроэнергии // Научно-аналитический журнал ИННОВАЦИИ и ИНВЕСТИЦИИ. Уголок аспиранта и соискателя. № 4. 2012. С. 156 -161.

5. Леута А. А., Нгуен Ч. Ч., Нгуен М. Д. Судовая автоматика и электроэнергетика. Совершенствование технологий управления //«Судостроение», (принята к опубликованию).

В других изданиях:

6. Леута А. А., Нгуен Ч. Ч., Нгуен М. Д. Комплект математических моделей компонентов судовых электроэнергетических систем как средство нападки и испытаний аппаратуры автоматического и автоматизированного управления // «Молодой ученый». Сер. «технические науки». Чита, Июль 2011. Т. 1. №7(30). С. 32-37.

7. Нгуен Ч. Ч., Нгуен М. Д., Нгуен X. Т. Имитационное моделирование компонентов судовых электроэнергетических систем для настройки и испытаний систем автоматизированного управления // «И Международная заочная научно-техническая конференция: Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (ГШТ - 2012)».-Тольятти, Апрель 2012. Часть 3, С. 87-93.

Подписано в печать 18.11.13. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 132. Отпечатано с готового оригинал-макета.

Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197376, С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5 Тел./факс: 346-28-56

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

КОМПЛЕКС ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОПЕРАТИВНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ОБЪЕКТАМИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

На правах рукописи

04201453776

Нгуен Минь Дык

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент

А. А. ЛЕУТА

Санкт-Петербург -2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................3

1 АНАЛИЗ ПРЕДПОСЫЛОК К СОЗДАНИЮ СИСТЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОПЕРАТИВНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ОБЪЕКТАМИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ............................................................9

1.1 Технология принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики и перспективы автоматизации выработки решений..........................9

1.2 Типовые объекты судовой электроэнергетики. Структуры и режимные параметры...............................................................................................................................14

1.3 Анализ технологий контроля режимных параметров и оценки состояний объектов судовой электроэнергетики..................................................................................35

1.4 Выводы по главе..........................................................................................................44

2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ И НЕЧЕТКОГО ВЫВОДА ДЛЯ СОЗДАНИЯ КТС ИППР.................................................................................................45

2.1 Основания к использованию теории нечетких многжеств в разрабатываемой системе информационной поддержки принятия решений................................................45

2.2 Основной принцип и алгоритм функционирования нечеткой системы...............48

2.3 Математическая модель многопараметрической нечеткой системы на примере преобразователя электроэнергии.........................................................................................60

2.4 Моделирование систем информационной поддержки операторов сложных электроэнергетических объектов.........................................................................................75

2.5 Выводы по главе..........................................................................................................83

3 РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ................................................................................84

3.1 Структура и состав комплекса технических средств информационной поддержки принятия решений.................................................................................................................84

3.2 Технологии построения и внедрений СИП. Проработка схемотехнических решений..................................................................................................................................88

3.3 Алгоритм нечеткой системы для интеграции в аппаратуру комплекса технических средств информационной поддержки оператора.........................................93

3.4 Средства человеко-машинного интерфейса систем информационной поддержки оператора................................................................................................................................98

3.5 Выводы по главе........................................................................................................108

Заключение..............................................................................................................................109

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................................................................................111

Список литературы.................................................................................................................145

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность диссертационной работы

Судовые электроэнергетические системы (СЭЭС), главные двигательные электроустановки (ГДЭУ), вспомогательные движительные электроустановки (ВДУ), гребные электроэнергетические установки (ГЭУ), целевые специальные централизованные и распределенные системы бесперебойного электропитания потребителей (СЭП) могут рассматриваться как объекты одного класса: объекты судовой электроэнергетики, которые, несмотря на имеющиеся различия и назначения, характеризуются тем, что их функционирование тесно связано либо с производством, распределением и преобразованием, либо с преобразованием и потреблением силовой электроэнергии и должны отвечать повышенным требованиям к качеству функционирования, обеспечивая нормальную эксплуатацию судов и других плавсредств, с соблюдением условий безопасности обслуживающего персонала, пассажиров и грузов.

Все указанные электроэнергетические объекты относятся к классу сложных технических объектов, так как состоят, в свою очередь, из многих взаимодействующих в различных режимах работы компонентов, поведение которых характеризуется множеством параметров, что обеспечивается наличием многоконтурных локальных систем автоматического регулирования и автоматизированного управления[10, 13,39].

На протяжении многих лет автоматизации функций управления, контроля и регулирования параметров и защит судовых электроэнергетических объектов уделялось самое пристальное внимание, постоянно совершенствовались элементная база и алгоритмы функционирования, о чем свидетельствуют труды Токарева JI.H., Ясакова Г. С., Максимова Ю.И. и Павлюченкова A.M., Баранова А.П., Королевой Т.Н., Воскобовича В.Ю. Однако безвахтенная эксплуатация таких объектов практически не осуществляется из-за возможности наступления очень опасных последствий. В 80-х годах прошлого века Я.Н. Лугинским, В.А. Семеновым, а так же В.В. Бушуевым в своих трудах [2, 6] высказывались идеи необходимости и

возможности использования математического моделирования электроэнергетических объектов с целью решения части задач оперативного управления. В частности, круг этих задач ограничивался проверкой допустимости динамических и установившихся режимов, вызываемых планируемыми диспетчерскими коммутациями в системах. Решение этих задач предполагалось осуществлять классическими по тому времени средствами - обработкой данных по алгоритмам решений систем дифференциальных уравнений (Горева-Парка) с помощью гибридных (аналого-цифровых) электронных вычислительных машин[1,6,41,42]. Для судов, как автономных энергетических объектов, в отличие от общепромышленных объектов, такой подход являлся избыточным и слишком затратным и поэтому практического значения не имел. Но за последние 20-30 лет с развитием техники и теории систем управления, а особенно микроконтроллеров и теории нечетких систем, внедрение систем информационной поддержки непосредственно дежурному персоналу на судах становится вполне доступно. Следовательно, в условиях современности, задача дополнительной помощи обслуживающему персоналу в оперативном управлении сложными электроэнергетическими объектами корабля, а особенно в моменты, когда необходимо принимать оптимальные решения в условиях дефицита времени для предотвращения и минимизации последствий аварийных событий, является актуальной[28,30].

С развитием современных средств сбора и обработки данных, средств вычислительной техники, методов и средств моделирования, а также средств представления данных, такая помощь осуществима с применением систем информационного обеспечения и информационной поддержки оператора. Все чаще такие системы внедряются на сложные объекты и практика показывает, что затраты на их разработку и создание оправдываются в ходе эксплуатации, предоставляя возможности быстро предотвращать или с наименьшими потерями избегать опасных последствий. Не могут являться исключением и электроэнергетические объекты судов, кораблей и других технических средств флота, причем оправданным является не только включение систем поддержки принятия решений в новые проекты, но и их внедрение на объектах, уже находящихся в эксплуатации[31].

Цель диссертационной работы

Снижение субъективных факторов в процессах оперативного управления объектами судовой электроэнергетики путем внедрения систем информационной поддержки операторов с автоматизацией функций сбора и обработки данных, анализа предшествующих, текущих состояний и перспективных событий и предоставления оператору оптимизированных рекомендаций к оперативным действиям.

Основные задачи

Для достижения цели работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ режимных параметров систем и объектов судовой электроэнергетики с целью определения перечня параметров, необходимых для использования в системе информационной поддержке принятия решений по оперативному управлению объектом.

2. Разработать и проверить прототип математической модели для систем и объектов судовой электроэнергетики, способной непрерывно функционировать в условиях эксплуатации объектов, в составе систем информационной поддержки, и обеспечивать своевременную информационную поддержку оператора в оперативном управлении объектом, способствующую снижению аварийности и/или минимизации отрицательных последствий аварий. Для чего использовать метод формального описания параметров ввода и вывода данных, методы обработки данных и формирования выводов по оперативной оценке состояний и тенденций изменений, метод формирования вывода информации в виде сообщений оператору

соээ.

3. Разработать алгоритм и аппаратно-программные средства реализации и проверки метода оперативной оценки состояний СОЭЭ для локализации предава-рийной и аварийной обстановки.

Методика исследования

В работе использованы методы математического моделирования систем, описываемых дифференциальными уравнениями, методы теории нечетких систем, включая подразделы нечеткой логики и нечеткого вывода, методы структурного анализа и проектирования информационных систем, организации баз данных и принципы объектно-ориентированного программирования.

Практическая значимость работы

В ходе диссертационной работы получены следующие результаты:

1. Разработана и проверена методика моделирования функционирования нечеткой системы поддержки принятия решений (в управлении СЭЭО) с использованием одного информационного параметра на примере регулирования выходного напряжения и защитного отключения по отклонению напряжения от заданного диапазона), без использования формального описания на основе классической теории управления в виде дифференциальных уравнений и традиционных уравнений регуляторов.

2. Разработана и проверена методика нечеткого математического моделирования сложных многопараметрических компонентов и систем на их основе для функционирования многопараметрической нечеткой системы поддержки принятия решений (в управлении сложным объектом) на примере статического преобразователя электроэнергии, с использованием параметров, в том числе не имеющих традиционного математического описания.

3. Показано, что методики, опробованные на данных примерах могут быть распространены на такие объекты судовой электроэнергетики, как централизованные и распределенные системы вторичного электропитания аппаратуры судовых технических комплексов, СЭЭС, ГЭУ и т.п.

4. Разработаны, изготовлены и испытаны образцы аппаратно программных средств отвечающих целям и задачам реализации метода анализа режимных параметров СЭЭО и оперативной информационной поддержки оператора. Метод основан на использовании теории нечеткой логики и нечеткого вывода о состоя-

нии СЭЭО и алгоритма, реализующего функции контроля параметров, анализа состояний СЭЭО и информационной поддержки в оперативном управлении СЭЭО для снижения аварийности в процессе эксплуатации

Полученные в работе результаты могут быть использованы на практике:

- при разработках систем управления и электроэнергетических объектов новых проектов судов и других средств флота;

- при модернизации уже находящихся или бывших в эксплуатации судов или технических средств;

- в учебных процессах, как при подготовке молодых специалистов, так и на курсах повышения квалификации работников промышленных и проектных предприятий, а также преподавателей.

Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе кафедры САУ ФЭА СПбГЭТУ «ЛЭТИ» в приложении.

Акт о внедрении и использовании результатов диссертационной работы в промышленном производстве приводится в приложении.

Научная новизна работы содержится:

1) в построении, для сложных объектов судовой электроэнергетики, комплексных математических моделей с использованием методов теории нечетких систем, способных непрерывно функционировать в режиме эксплуатации объектов и, на основе анализа текущих значений режимных параметров, в реальном масштабе времени, формировать управляющие воздействия или информирующие, рекомендательные или' управляющие сообщения для оперативного управления объектами.

2) в разработанном алгоритме реализации механизма теории нечеткого вывода и представления информации, на основе данных контроля и анализа режимных параметров, для информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики.

3) в разработанных структурных, схемотехнических и программных решениях для комплекса технических средств информационной поддержки принятия решений по оперативному управлению объектами судовой электроэнергетики с целью повышения эффективности и безаварийности их эксплуатации.

На защиту выносится

1. Прототип математической модели сложных объектов судовой электроэнергетики с использованием методов теории нечетких систем.

2. Алгоритм реализации механизма теории нечеткого вывода и представления информации, на основе данных контроля и анализа режимных параметров.

3. Комплекс технических (аппаратно-программных) средств, реализующих алгоритмы контроля режимных параметров, анализа состояний и информационной поддержки принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики.

Апробация работы.

Основные теоретические и практические результаты работы докладывались на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава кафедры САУ СПбГЭТУ (ЛЭТИ) в 2010, 2011 г.

Публикации.

Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работ, в том числе 5 в научных изданиях, рекомендованных ВАК Ми-нобрнауки России.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав основного материала, заключения, библиографического списка из 77 наименований и 7 приложений. Работа содержит 153 страниц (с приложениями) машинописного текста, включая 43 рисунка и 2 таблиц.

1 АНАЛИЗ ПРЕДПОСЫЛОК К СОЗДАНИЮ СИСТЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПО ОПЕРАТИВНОМУ УПРАВЛЕНИЮ ОБЪЕКТАМИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ

В данной главе рассматривается применяемая в настоящее время технология принятия оператором, выявляются основные функции и этапы, а также обобщенная модель процесса и делается предположение о возможности автоматизации. Определяются основные требования к разработке необходимых для этого средств и пути достижения поставленной задачи. В качестве примеров рассмотрены типовые и наиболее сложные судовые электроэнергетические объекты (СЭЭС и СЭП) с целью выявления перечня и номенклатуры параметров, определяющих качество их функционирования и позволяющих оценивать текущие состояния, а также возможные изменения. Показано, что текущий контроль режимных параметров позволяет своевременно выявить отклонения и сделать выводы о возможных аварийных ситуациях и событиях. Выявлены основные предпосылки к возможности создания системы сбора и анализа данных, способной оказать существенную помощь в принятии решений по оперативному управлению объектами судовой электроэнергетики, для повышения эффективности и безаварийности в процессе эксплуатации.

1.1 Технология принятия решений в оперативном управлении объектами судовой электроэнергетики и перспективы автоматизации выработки решений.

Объекты судовой электроэнергетики характеризуются производством, преобразованием, распределением и, в некоторых случаях, потреблением электроэнергии, в определенном диапазоне мощностей начиная от десятков киловатт до десятков мегаватт. Кроме этого, большинство объектов данного класса являются сложными, много компонетными и многосвязными объектами. И, наконец, в виду

высокой ответственности за нормальную эксплуатацию судна, корабля или другого технического средства флота, эти объекты остаются под контролем дежурных операторов, несмотря на высокие достижения в их автоматизации. Роль оператора, в процессе эксплуатации объектов, может существенно изменяться: от простого наблюдения - в нормальных режимах, до непосредственного вмешательства в управление объектом в особых режимах. К таким особым режимам можно отнести периоды, когда какие-либо управляющие воздействия на объект осуществляются через команды, исполнение которых становится возможным только по инициативе или с разрешения оператора. Например, в случае необходимости выполнения некоторых изменений схемы коммутации компонентов, возможно