автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Многофункциональные распределенные системы связи, контроля и управления

Введение.

Глава 1. Описание объекта автоматизации. Постановка задачи синтеза системы контроля связи и управления на базе современных технических средств.

1.1. Описание объекта автоматизации.

1.2. Общая модель системы управления.

1.3. Топологические особенности объекта управления, формулировка задач построения многофункциональной системы связи, контроля и управления.

1.4. Анализ существующих распределенных систем, реализующих функции контроля, управления и связи.

1.5. Общая структура системы, контроля, управления и связи.

1.6. Постановка задачи выбора оптимальной структуры системы управления.

В настоящее время все большую актуальность приобретают задачи разработки систем связи, контроля и управления для распределенных на большой площади технологических объектов. К таким объектам можно отнести магистральные и распределительные электрические и тепловые сети, комплексы насосных и компрессорных подстанций нефте- и газопроводов, автоматизированные комплексы экологического мониторинга и параметров окружающей среды, многостадийные пространственно-распределенные перерабатывающие производства и т.п.

От традиционных систем управления, расположенных преимущественно в одном здании, или размещенных на небольшой территории, системы контроля и управления пространственно-распределеными объектами отличаются большими расстояниями в несколько километров, а иногда десятками и даже сотнями километров от центральных пунктов управления до контролируемых объектов.

Пространственная распределенность технологических объектов накладывает дополнительные требования к структуре системы управления. Преимущественно, дополнительные требования к системе управления обусловлены возрастающими затратами на передачу сигналов контроля и управления в зависимости от расстояния. Можно утверждать, что при увеличении расстояний между объектами автоматизации, затраты на систему связи, а значит и на всю систему управления возрастают.

Другим фактором, требующим рассмотрения пространственно распределенной системы управления и связи как единого комплекса, является вид сигналов контроля и управления и требования к временным и качественным параметрам сигналов при прохождении в системе связи. Так, например, задержка сигнала или его искажение может привести к вычислению ошибочных, или вовсе недопустимых управляющих воздействий и, как следствие, к экономическим потерям.

Современные распределенные системы управления, реализованные на принципах иерархической подчиненности, должны надежно и своевременно обмениваться информацией между уровнями иерархии. Поэтому от способа технической реализации каналов обмена данными между управляющими центрами зависят качественные и количественные характеристики всей системы управления.

Применение высокоскоростной микропроцессорной техники, управляющих вычислительных комплексов под управлением интеллектуального программного обеспечения позволяет решать все больший класс задач контроля и управления, одновременно с этим повышаются требования к структуре системы управления, организации взаимосвязей между её элементами на логическом и физическом уровнях.

Информационная емкость систем управления растет с каждым годом и при проектировании системы управления необходимо предусматривать перспективы развития. Для решения этих задач, структура системы управления должна удовлетворять модульному принципу построения, а так же иметь необходимый запас по вычислительной емкости управляющих центров и информационной емкости каналов связи для обеспечения функций резервирования и быстродействия всего комплекса в целом.

Как правило, создавая распределенные системы управления, одновременно решают задачи создания корпоративной производственной системы связи. Это оказывается экономически эффективным решением, позволяющим уменьшить суммарные затраты на создание и эксплуатацию систем управления и корпоративной связи,

В распределенных системах управления, узлы которых располагаются в населенных пунктах, при введении некоторой избыточности в информационную емкость системы появляется дополнительная возможность получения дохода, от предоставления информационных услуг и услуг связи, что в сумме с экономическим эффектом от внедрения системы управления технологическим процессом позволяет сократить срок окупаемости проекта и увеличить доходы.

Из вышеизложенного следует, что при построении современных распределенных систем контроля и управления, актуальным является нахождение оптимальных технико-экономических характеристик системы и синтеза структуры системы связи, контроля и управления на базе современных технических средств для реализации задач:

1. Качественный контроль и управление технологическим процессом;

2. Совместная реализация корпоративной системы связи;

3. Предоставление услуг связи сторонним пользователям;

4. Модульный принцип построения;

5. Экономическая эффективность проекта в целом.

Настоящая работа имеет основной задачей разработку методики и алгоритмов расчета технических и экономических параметров многофункциональной системы связи, контроля и управления на примере автоматизированной системы управления освещением Московской кольцевой автомобильной дороги.

В работе исследуется опыт построения подобных систем, влияние подсистем связи в распределенных многофункциональных системах управления на технические и экономические параметры системы в целом.

Произведен анализ способов организации каналов передачи данных в распределенных системах управления, формализуется задача синтеза оптимальной структуры системы управления.

Предложена оптимальная структура многофункциональной системы контроля, связи и управления с использованием современных технических средств, предложена методика оценки экономических параметров, сооружаемых систем управления и связи вдоль протяженных магистралей.

Для решения поставленных задач в работе использованы методы, предоставленные аппаратом теории автоматического управления, методы математического моделирования и оптимизации, математического программирования.

Предложена постановка задачи оптимального синтеза системы, как задачи линейного смешанного программирования.

Предложена методика оптимизации и оценки эффективности строительства.

При помощи аналитических методов проведено исследование существующих алгоритмов линейного смешанного и целочисленного программирования (метод ветвей и границ, методы сечений, разложение Данцига-Вольфе, алгоритм Бендерса ) в приложении к решению задачи оптимального синтеза системы контроля, связи и управления.

Предложен алгоритм решения с использованием алгоритмов линейного смешанного и целочисленного программирования.

Предложенный алгоритм оптимального синтеза системы, может быть использован в качестве базового при решении задач построения распределенных систем контроля, связи и управления.

Краткое содержание основных частей работы:

Первая глава посвящена исследованию технологического процесса как объекта управления и производится постановка задачи синтеза оптимальной структуры многофункциональной системы контроля и управления на базе современных технических средств.

Одними из приоритетных задач по управлению наружным освещением являются экономия электроэнергии и обеспечение оперативного устранения неисправностей, возникающих в осветительном комплексе.

Для реализации задач контроля и управления принята двухуровневая модель системы управления.

Структура системы управления должна удовлетворять требованиям по управлению технологическим процессом и требованиям по передаче информации между верхним и нижним уровнями.

В структуру системы должна быть внесена избыточность для обеспечения надежности, перспектив развития и удовлетворения задач сторонних потребителей.

Реализация всего комплекса возможна на условиях экономической окупаемости проекта.

Очевидно, что лучшим вариантом структуры, с точки зрения минимизации затрат, является вариант, при котором сумма стоимостей транспортировки по всем элементарным ветвям минимальна.

Постановка задачи: на базе определенного комплекса технических средств, сформировать структуру системы управления, удовлетворяющую заданным техническим требованиям и минимальными затратами на её создание.

Иначе можно записать, вводя обозначения:

1 7=1

->тт,у = 1,т т

У,и<Тл,лд,,1 = и

7=1 Л

В , -не всегда определены

- длина сегмента, г-скорость передачи. То- период опроса, СА-стоимость 1 км линий связи, Си- стоимость модема.

Решение должно определить: ЛАу-количество и тип концентраторов первого уровня; N2- количество и тип концентраторов второго уровня; Нм-количество и тип концентраторов уровня М; Ц- длины вводимых фрагментов и тип кабеля; топологию системы (последовательная, звезда); ориентировоч-нзАо стоимость.

Вторая глава посвящена методике оптимизации технико-экономических характеристик сооружаемых многофункциональных систем контроля, связи и управления при различных вариантах расположения объектов. Показано, что при расположении объектов в крупных населенных пунктах возможно самофинансирование проекта.

Исследование проводится в следующем порядке:

1. Задается система (подмножество) {А} характеристик, описывающих протяженную магистраль как объект потребления услуг связи.

2. Устанавливается подмножество {Q} конкурентоспособных тарифов на предоставляемые услуги и оцениваются возможные суммы поступлений от их реализации на данном объекте за период времени t: j j гдеj - вид услуги связи; Wqj, - единоразовый платеж за подключение пользователя j -ой услуги к ССМ; Wof повременная оплата.

3. Предлагается общий вид системного решения системы связи (ССМ) и выделяется подмножество {Рв} его параметров, подлежащих Числовой оптимизации в процессе привязки («настройки») общего решения под конкретный объект. Искомым {Рв считается такое, которое, обеспечивая требуемый для объекта объем услуг связи, минимизируют капвложения и затраты на эксплуатацию.

4. В явной форме находится зависимость минимально- необходимых затрат от характеристик объекта применения в рамках системного решения:

Ре}ош=/е{А}; min (C,,+CJ =(Pe{Pe}onr=FM}-Исследуются возможности коррекции общего системного решения с целью минимизации капзатрат.

5. Сравнением Wt и Fe[A] определяется достижимая градация экономической эффективности ССМ на данном объекте:

AWyj <С- убыточность; XAiy > Л" окупаемость затрат. j j

Если срок окупаемости капзатрат: оказывается меньше допустимого срока строительства ССМ, последнее может вестись с использованием элементов самофинансирования. При этом результаты оценок позволяют выбирать стратегию распределения капзатрат и поступлений для разработки бизнес-плана, который предусматривает ввод фрагментов ССМ в эксплуатацию до завершения ее строительства в целом.

Предлагаемое к рассмотрению общее решение, привязываемое к объекту, состоит в следующем:

ССМ строится по модульному принципу из т типовых фрагментов, способных к автономному функционированию.

Фрагмент состоит из телекоммуникационного узла и к, подключенных к нему с помощью плезиохронных ВОЛС, емкостью, кратной 2,048 Мбит/с (с использованием выделенных волокон магистрального оптокабеля) первичных телефонных концентраторов, расположенных соответственно в райцентре и подчиненных ему населенных пунктах.

На телекоммуникационных узлах, объединенных магистральным опто-кабелем, размещается:

-пассивное оборудование кроссировки оптоволокон;

-магистральное SDH- оборудование (мультиплексоры ввода/вывода) в составе базового блока и комплектующих трибутарных плат, регенераторы, средства контроля и диагностики);

-плезиосинхронные оптические модемы связи с концентраторами; -оборудование коммутации телефонных каналов (блоки линейных интерфейсов, групповых коммутаторов, аппаратура мониторинга).

Первичный концентратор представляет собой подключенный к магистральному оптокабелю термостабилизированный кабинет в комплекте с источником бесперебойного электропитания и оптическими модемами связи с узлами.

Абонентское подключение к телекоммуникационному узлу, либо концентратору могут выполняться в проводном варианте или с использованием подсистемы фиксированного радиотелефонного доступа.

Проводные абонентские линии подключаются к оборудованию коммутации непосредственно, а в удаленных от узла концентраторах - к абонентским мультиплексорам, формирующим потоки 2,048 Мбит/с.

В состав подсистемы фиксированного радиодоступа входят:

-индивидуальные абонентские блоки;

-базовые радиостанции, формирующие поток 2,048 Мбит/с;

-радиоконтроллеры, размещенные на телекоммуникационном узле и сопрягаемые с коммутационным оборудованием;

-плезиохронные ВОЛС между радиоконтроллером и базовой станцией, разнесенными более чем на 0,3км.

Базовые станции могут размещаться:

- в термостабилизированном кабинете концентратора;

- в дополнительных термостабилизированных кабинетах, укомплектованных источниками бесперебойного электропитания и оптическим модемом 2,048 Мбит/с.

Системная надежность и минимизация затрат на процедуры эксплуатации обеспечиваются комплексом мер:

- применение оборудования с глубокими встроенными возможностями самодиагностики, дистанционного контроля и конфигурирования;

- конструктивная и программная совместимость технических средств;

- создание резервных каналов связи концентраторов с узлами, а также между узлами.

Показано, что условие окупаемости абонентского участка фрагмента за время Г получится в виде:

Л2 х5 V у бгат С

Н-а,к -о уи. и ОАП где А х X

1 + Пк°мга&х а условие возмещения затрат за время, соответствует: 2 бог + Q\тлo 2 1 +

1 + а,к) бог °\'гК 2 где коэффициенты

ЗОэрл 2

1 + а,к)

Околш 1 ком.тдсх. L Л тс С тр

РАМ J ' шр и

РАК С и

РАМ

1 л3 ~ лломкс +

1+ 2С

Об представляют собой удельные компоненты затрат на сооружение типового фрагмента ССМ.

Основные экономические показатели типового фрагмента ССМ определяются как: Капвложения: А 1

Затраты на эксплуатацию:

Поступления:

Первичный срок окупаемости относительно Р.

Вторичный срок окупаемости:

Л2)ЛВК 0 вк третья глава посвящена решению поставленной в главе 1 задачи, относящейся к большому классу целочисленных экстремальных задач, т. е. задач, в которых переменные могут принимать лишь целые значения (или некоторые целые значения).

Цель настоящей главы — представить алгоритм решения поставленной задачи как синтез основных методов решения, используемых в целочисленном программировании; при этом делается попытка выделить основные идеи, поддерживающие большую часть алгоритмов, произвести анализ и разработать алгоритм решения с использованием существующих алгоритмов.

Исследуется адаптация алгоритмов разветвленного поиска, сечений, Данцига-Вольфе, Бендерса к решению задачи.

В исследовании показывается, что ни один из рассмотренных алгоритмов не обладает универсальностью и имеет свою область применения.

Для решения задачи на базе проведенных исследований разработан оригинальный алгоритм, суть которого заключается в сведении основной задачи к двум задачам последовательно решаемым с помощью алгоритмов разделения и оценки и разделения переменных Бендерса.

Предлагаемый алгоритм заключается в следующем: 1. Все рассматриваемые объекты, ранжируются и разбиваются по группам таким образом, что min i h+ij-hjА const где7-индекс группы, i- индекс члена в группе.

2. Производится оценка возможности оптимизации структуры, для чего а) Определяется /щт из условия где СД, «-константы заданные по условию задачи. б) если существует хотя бы два индекса / в какой-либо группе у, то имеет смысл рассматривать задачу далее. Иначе перейти к 6.

3. Записывается общая задача разбиения в виде

Ы (=1 ЕЛ {---С,, +(/,,, -/,)С, +2СА2 ->тт 1 л-1 и-3

А7 + 22]// + 4ХЯ>л, /•1 1=1 1=1 где у, 1Л, Л - целые значения принимающие либо О либо 1, соответственно в результате решения получаем количество и расположение линий типа у, /л, X.

4. Задача решается методом разветвления и оценки, В качестве функции оценки выбираем

А,)>шах{С,,(«-А:)/;-2С;АЛ и

5) > шахЙ (С,,т - - 2С;АЛ для вариантов содержащих последовательные структуры. В результате решения определяется новая структура.

5. Определяется возможность введения нового уровня мультиплексирования. Для этого повторяются шаги 1-5, с той разницей, что теперь рассматриваемым объектом является новая структура.

6. Решение представляется в форме ориентированного графа С=[Хо,ио\. К графу О с вершинами Хо добавляются дуги 11+ таким образом, чтобы каждый поток имел, по крайней мере, на верхнем уровне резервный путь.

7. Решается задача об оптимальном синтезе: где уи - стоимость единицы потока по дуге и, 7« емкости, приписываемые каждой из дуг ме Ц Г„> 0.

Используя метод разложения Бендерса данная задача сводится к решению задачи о согласованных мультипотоках и задачи о простых потоках с минимальной стоимостью.

8. Если в результате решения п. 7 оказывается, что где А:-число линий связи группы у после оптимизации, то рассматривается целесообразность введения магистрали в группе.

В четвертой главе приводится пример расчета сети системы управления на примере автоматизированной системы управления освеш;ением Московской кольцевой автомобильной дороги.

Рассматриваемая система содержит около двух тысяч точек контроля и сто шестьдесят исполнительных механизмов.

Рассмотрена задача объединения в систему 54 объектов равномерно расположенных вдоль магистрали МКАД обш;ей протяженностью 110 км.

В результате расчета показано, что после проведения шагов 1-5 предлагаемого алгоритма, стоимость системы уменьшена на 30% по сравнению с начальным вариантом, а после завершения работы алгоритма свыше 50%, что от части объясняется «удачной» топологией объектов на МКАД.

Решение дает N1- 14, Г7=4 количество и тип концентраторов первого уровня; ЛА2=4, Г2 =63 количество и тип концентраторов второго уровня; /сз=110 км суммарная длина вводимых фрагментов оптического кабеля; /с1=50 км суммарная длина вводимых фрагментов электрического сигнального кабеля; топологию системы - логическая звезда, физическая - кольцо ввода-вывода с распределительной сетью; ориентировочная стоимость

17

467020у.д.е. (условных денежных единиц, принятых в расчетах) при сти начального варианта системы до оптимизации 1209600 у. д. е.

7. Основные результаты работы переданы в ЗАО «Горсветинвест»,

1. Аганбегян А. Г., Багриновский К. А., Гранберг А. Г. Система моделей народно-хозяйственного планирования. Изд. «Мысль», 1972.-140 с.

2. Балакирев В. С, Володин В. М., Цирлин А. М. Оптимальное управление процессами химической технологии. -М.: Химия, 1978. -383 с.

3. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г. М. Численные методы. -М.: Наука, 1987. 632с.

4. Беллман Р. Динамическое программирование. -М.: Иностранная литература», 1960. -400 с.

5. Болтянский В. Г. Математические методы оптимального управления. -М.: Наука, 1966. -308с.

6. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химии и химической технологии. -М.: Химия, 1975. -576 с.

7. Брайсон А., Хо-Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. -М.:Мир, 1972.-389 с.

8. Бутковский А. Г. Теория оптимального управления системами с распределенными параметрами. -М.: Наука, 1965. -476 с.

9. Бурков В.А., Лааебник А. И„ Хранович И. Л. Метод ветвей и границ как регулярный метод решения нерегулярных задач математического программирования. «Автоматика и телемеханика», 1972, № 7, с. 4651; № 10, с. 57-63.

10. Васильев Ф.П., Иваницкий А.Ю. Линейное программирование. -М.: Факториал, 1998. 176 с.И. Ватель И.А.,Ерешко Ф.И.,Кононенко А.Ф. Игровые модели принятия решений в иерархических системах, VI Симпозиум по кибернетике, Тбилиси, 1972.

11. Вербовецкий A.A. Основы проектирования цифровых оптоэлектрон-ных систем связи. М.: Радио и связь. 2000. - 160 с.

12. Власюк Б.А., Моросанов И.С. Иерархия материальных потоков в больших системах. Изд. АН СССР, Автоматика и телемеханика, № 7 (1972).

13. Волконский В.А. Модель оптимального планирования и взаимосвязи экономических показателей. Изд. «Наука», 1967. 176 с.

14. Володин В.М., Милинин A.A. Об одном методе децентрализации при распределении ограниченных ресурсов. «Экономика и математические методы», № 4, 1976, с. 802—807.

15. Воробьев Л. М., Воробьева Т. М. Использование метода нелинейных преобразований при решении задач оптимизации. -М.: Энергия, 1972. 207с.

16. Гасс С. Линейное программирование. Методы и приложения. М.: Физматгиз, 1961. - 224 с.

17. Гейл Д. Теория линейных экономических моделей. -М.: Наука, 1963. -417 с.

18. Гилл Ф., Мюрреи У. Численные методы условной оптимизации. Пер. с англ.- М.: Мир, 1977. 318 с.

19. Гурией Б. Введение в науку управления, изд. «Прогресс», 1969. -383 с.

20. Данциг Дж. Линейное программирование, его обобщения и применения. Пер. с англ- М.: Прогресс, 1966. 176 с.

21. Денисьева О.М, Мнрошников Д.Г. Средства связи для последней мили. М.: Эко-Трендз, 1998.-146 с.

22. Дорогов H.H., Майков Т.П., Цирлин А.М. Условия оптимальности дискретных задач управления для различной формы описания управляемого процесса. Изв. АН СССР, Сер. Техническая кибернетика, 1973, №5, с. 87-93.

23. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации.- М.: Наука, 1982. 196 с.

24. Ермольев В.М. Методы решения нелинейных экстремальных задач. -Кибернетика, 1966. 150 с.26,27.