автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Объектно-ориентированное моделирование систем управления технологическим процессом шлюзования судов

На правах рукописи

Шерган Евгений Александрович

ОБЪЕКТНО-ОРИЕВГГИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ШЛЮЗОВАНИЯ СУДОВ

Специальность: 05.13.06. - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 200бг

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК).

Научный руководитель:

Доктор технических наук, Вихров Н.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сахаров В.В.

кандидат технических наук Рудых В.Г.

Ведущая организация: НПФ «Меридиан».

Защита диссертации состоится " 12 " октября 2006 года в 15°° часов на заседании диссертационного совета Д 223.009.03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская 5/7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан "_7_" сентября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических паук, доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Управление судопропуском по шлюзованным каналам на внутренних водных путях обусловлено их техническим и информационным уровнем, т.е. качеством эксплуатируемых автоматизированных- систем управления техническими средствами шлюза, которые представляют собой информационно-управляемые модули. Необходимость их постоянного совершенствования и развития объективно обусловлено как развитием физической базы вычислительных средств управления и связи , так и результативностью моделирования процессов сложных организационно-технических систем, которые при их эксплуатации обеспечивают безотказность и безопасность транспортных процессов.

Судоходный шлюз, как конечный элемент декомпозиции системы контроля и управления движением судовых потоков должен обеспечивать безопасность проводки судов, а также безотказность технических средств при выполнении функции судопропуска. Эти функции обеспечиваются управлением технологическим процессом функционирования рабочих органов шлюза и их механизмов на достаточном уровне их информационного обеспечения, как по базе данных, так и алгоритмического обеспечения.

Решение задачи по автоматизации производственного процесса шлюзования, учитывая сложность процессов, реализуемых в технологическом комплексе, требует использования и реализации объектной модели шлюза как сложной системы. При этом возникает необходимость реализации принципа абстрагирования, принципа многомодельности и принципа иерархического построения моделей сложных систем.

Исходя из необходимости последовательной формализации сложных процессов на этапе построения формальной схемы, используется принцип классификации, который утверждает, что при этом необходимо учитывать уровни обобщения, и в то же время для каждого состояния необходимо выполнять классификацию значений выбираемых параметров.

1»0С. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

Такие задачи решаются исходя из особенностей объекта управления -шлюза и реализуемых алгоритмов управления, учитывающих назначение и функции технических средств связи и управления, используемых на шлюзах. Исходя из сказанного, актуальным для водного транспорта является научно-техническая задача обеспечения качества управления шлюзованием судов на основе объектно-ориентированного подхода к процессам анализа, проектирования и моделирования процессов шлюзования.

Исследования ряда организаций России, в том числе Института проблем транспорта РАН, управления Волго-Донским каналом, Новосибирской и Нижегородской академий водного транспорта, показали, что основным способом решения проблемы автоматизации проводки судов в соответствии с международными стандартами является совершенствование и развитие объектно-ориентированного моделирования процессов шлюзования как основы реализации требований по безотказности и безопасности проводки судов на внутренних водных путях.

Цепь диссертационной работы. Повышение эффективности процессов моделирования и проектирования автоматизированных систем управления проводкой судов по шлюзованным каналам на основе использования новых информационных технологий при создании и модернизации систем управления техническими средствами шлюза.

Центральным элементом этой научной задачи является совершенствование способов, алгоритмов и языков моделирования сложных систем управления шлюзованными каналами, моделирование технологических процессов проводки судов через шлюз, информационное обеспечение процессов управления движения судов.

Объект исследования: технология проводки судов через шлюз, структуры систем управления технологическими процессами.

Предмет исследования: информационное, алгоритмическое, программное обеспечение описания алгоритмов управления техническими средствами

шлюза при реализации объектно-ориентированного подхода к формализации процессов управления.

Методы исследований: методологической основой и общетеоретической базой исследований является принцип системного анализа процессов формального описания алгоритмов управления технологического процесса шлюзования, а также инженерные методы и экспертные оценки, используемые для проектирования систем управления техническими средствами на различной элементной базе. Теоретической основой развития и повышения качества управления шлюзованными каналами являются объектно-ориентированные языки моделирования сложных систем, основанные на реализации теории управления, теории игр, теории информационных систем, теории баз данных , системологаи, теории программирования и др.

Научная новизна:

1. Предложена и реализована методика моделирования процессов управления техническими средствами шлюза на основе трёхзвенной структуры системы управления, позволяющей описывать динамику изменения параметров системы.

2. Разработаны модели процесса шлюзования в виде диаграмм унифицированного языка моделирования.

3. Предложены комплексы формализованных математических моделей в виде алгебраических структур, реализованных в алгоритмах управления шлюзованием судов,

4. Развита и реализована методика формирования информационного обеспечения процессов управления проводкой судов через шлюз.

Практическая ценность: на основании теоретических и предметных исследований выполненных в диссертации, анализа опыта эксплуатации существующих автоматизированных систем управления шлюзом, выполненных вычислительных экспериментов по моделированию технологических процессов шлюзования судов получили следующие практические результаты:

- разработаны диаграммы классов, вариантов шлюзования, объектов, последовательностей, состояний деятельности, компонентов определяющих процесс шлюзования судов;

- формализована структура логико-динамической модели процесса шлюзования на основе трёхзвенной структуры управления;

- предложены и обоснованы пути совершенствования систем управления техническими средствами шлюза с учётом реализации объектно-ориентированного подхода к моделированию сложных систем.

Результаты работы использованы в государственных управлениях ВолгоДонском и Волго-Балтийском районах гидросооружений, НПФ "Меридиан".

Апробация работы: основные результаты исследований и выводы по работе докладывались на Международной научно-технической конференции ТРАНСКОМ - 2004 в декабре 2004 года, на научно-практических и научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов старших курсов в 2004, 2005 и 2006 годах, на семинарах и заседаниях кафедры автоматики в 2004-2006 годах.

Публикации: основное содержание диссертации опубликовано в 12 печатных работах (4 статьях, 2 материалах докладов на Международной конференции "ТРАНСКОМ-2004", 6-ти публикациях по материалам научно-технических и научно-практических конференциях аспирантов, студентов старших курсов СПГУВК).

Структура и объем работы: работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 170 страниц, в том числе 32 рисунка, _1_ таблицы и списка использованных источников из 101 наименования.

П. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность задач исследований, сформулирована цель исследований, объект и предмет исследований.

В I главе произведен системный анализ функций, задач и информационных потоков при реализации технологического процесса шлюзования судов. В п. 1.1 рассмотрена архитектура и особенности систем управления шлюзованными каналами. На основе анализа существующих и проектируемых систем управления проводкой судов по шлюзованным каналам, систематизированы возможные архитектурные решения систем управления техническими средствами шлюза, представлена их функциональная схема (рис. 1) для реализации технологического процесса шлюзования показанном на рис. 2.

Датчики и измерительные элементы

I Рис. 1. Функциональная схема системы управления техническими средст-

вами шлюза.

Особенности технологического процесса формировании базы данных при управлении шлюзованием судов рассмотрены в п. 1.2. обоснованы объемы информации, необходимые для реализации технологического процесса шлюзования, систематизированы и сформулированы типовые функции управления и

контроля автоматизированной системы управления техническими средствами шлюза.

Уровень верхнего бьефа

Верхняя голова

Гоперы

Нижняя голова

Уровень нижнего бьефа

Подъемно-опуасн ыо ворота

Рис.2. Технологический процесс шлюзования.

Наиболее эффективными средствами обработки информации в системах управления являются информационно-вычислительные сети, в узлах которых сосредоточены объемные базы данных для обеспечения, как работоспособности шлюза, так и безопасности шлюзования. Для реализации необходимой безопасности и сохранности информации в АСУ шлюза обосновано использование распределенной системы управления, которая обеспечивает функциональную взаимосвязь и взаимозаменяемость пунктов управления, датчиков информации и возможность использования общих информационных ресурсов: В этом же пункте предложены средства визуализации процесса шлюзования и определен необходимый объем документирования технологического процесса. В п. 1.3 обоснованы структурные методы управления работоспособностью АСУ техническими средствами шлюза. Технологический процесс управления работоспособностью использует координатное, параметрическое и (или) структурное управление. Структурные методы управления работоспособностью предназначены для варьирования настраиваемых параметров, состава функциональных элементов и связей между ними. К структурным методам управления работо-

способностью относятся: управление резервами, управление ремонтом и техническим обслуживанием, управление защитой для обеспечения безопасности шлюзования и управления реконфигурацией структуры системы. Архитектура подсистемы работоспособности системы управления шлюзованием определяется характером декомпозиции алгоритмов сбора информации, ее преобразования и формирования подцержки принятия решений оператору при проводке судов.

Шлюз как подсистема в системе судопропуска канала является самостоятельной системой, в которой реализуется базовый типовой алгоритм процесса шлюзования судов, реализуемый в автоматизированной системе управления в виде информационно-управляющего модуля. Исходя из объектно-ориентированного подхода к моделированию и проектированию системы управления техническими средствами шлюза в базовой и типовой системе выделены следующие подпроцессы: сеть, база данных, интерфейс и управление процессом в реальном времени.

Рассматриваемые задачи управления шлюзованием базируются на трех высокоуровневых ключевых абстракциях: суда, следующие по каналу; путь, объединяющий водные акватории; бьефы, шлюзы, каналы; план пропуска судов через канал. Ключевыми механизмами решения большинства задач при проводке судов являются классификация сообщений, планирование движения судов по каналу, отображение информации, сбор данных о ходе процесса судопропуска.

Качество технологического процесса шлюзования судов обеспечивается лишь при выполнении управляющих действий исполнительных устройств в требуемой последовательности. Организация требуемой последовательности действий исполнительных устройств и значений управляющих сигналов обеспечивается алгоритмами управления.

На рис. 3 представлена составленная граф-схема алгоритма пропуска судов через шлюз снизу вверх и сверху вниз.

Рис. 3. Граф-схема алгоритма пропуска судов. На языке схем алгоритмов эта модель имеет вид:

Л-У Л? 4В,^ 1а21~Л40Нл,ЦаНо2а'} 1з2...

^1а2 Т А$А1 Л4УЛ,1а}л,т\1А1ОгоЛ1о,а)\ 1в

На этих схемах использованы следующие обозначения:

А| - открыть систему наполнения (затворы галерей водозабора);

A]' - закрыть систему наполнения камеры шлюза; А2 - открыть систему опорожнения;

А2' - закрыть систему опорожнения; А3 - открыть верхние ворота; Аз' - закрыть верхние ворота; А4 - открыть нижние ворота; А^' - закрыть нижние ворота;

B] - ввести суда в шлюз с верхнего бьефа;

В]' - вывести суда из камеры в верхний бьеф; (

В2 - вывести суда из шлюза в нижний бьеф;

Вз - ввести суда в шлюз из нижнего бьефа;

а г - логическое условие, уровень в шлюзе равен верхнему бьефу;

а.2 - логическое условие, уровень в шлюзе равен нижнему бьефу.

О), Ог - блок времени задержки.

Кроме типовых алгоритмов шлюзования программные и компьютерные средства с учетом уровня управления АСУ и в режиме разделения времени реализуются целый ряд дополнительных функций как в целях обеспечения безопасности шлюзования, так и работоспособности и устойчивости процессов управления. Сформулирована группа задач реализуемых системой управления по базам данных и передаче данных.

В главе II представлена информационная модель системы управления техническими средствами шлюза. В п. 2.1 рассмотрена общая информационная модель системы управления шлюза в виде трехэлементной системы. Сформулирована и формализована типовая функциональная структура процессов управления техническими средствами шлюза в виде трехэлементной структуры: субъект, передатчик, объект. При этом рассмотрена структура классов, выбранные объекты которых в той или иной мере связаны с процессом шлюзования судов. На рис.4 показана иерархия структуры классов и структуры объектов систем управления технологическим процессом шлюзования.

ОБЪЕКТЫ

Рис. 4. Объектно-ориентированная иерархия структуры классов и структуры объектов систем управления техническими средствами шлюза.

Выполнен анализ шлюза как объекта управления с выделением комплекса внешних воздействий. Создана и представлена на рис,5 информационная модель системы автоматизированного управления шлюзованием, которое является зеркальным отражением реальной системы, имеющая собственное внутреннее содержание и обужена внешней средой.

СИСТЕМА

(в рамках области рассматриваемого класса)

Рис. 5. Вид представления информационной модели системы управления

шлюза.

Исходное состояние информационной системы характеризуется вводом информации с условными координатами её расположения в информационном пространстве и времени. Определено содержание и построена система, с ее внутренними и внешними связям, а также еецелевым назначением, периодом функционирования и рядом других факторов.

В п.2.2 рассмотрено структурирование базового системного модуля шлюза с классификацией информационных моделей подсистем управления верхними и нижними воротами, галереями затворов, сигнализацией проводки судов, аварийным управлением. Базовый структурный модуль шлюза фрагментирован на структурные элементы (фрагменты). Каждый фрагмент субъектного, объектного или передаточного структурного модуля, имеет собственные признаки

и содержание и строится на единых организационных принципах ввода и вывода информации. Пример фрагментирования структурного модуля информационной модели шлюза показан на рис.6.

Рис. 6. Фрашентирование структурного модуля информационной модели объекта (шлюза).

Фрагментирование реализовано на трех иерархических уровнях: верхний (базовый), промежуточный и нижней уровни.

Формализовано объединение объектных, субъектных и передаточных структурных моделей подсистем управления технологическим процессом шлюзования которое обеспечивает его функционирование как системного модуля информационной модели в целом.

В п.2.3 предложены информационные модели постов управления шлюзованием судов и их проводкой по каналам. Посты управления технологическим процессом шлюза представлены в виде информационной модели субъектного модуля. На основании имеемых исходных данных разработан базовый субъектный модуль информационной модели, с учетом функции управления оборудо-

вашем со стороны оператора, на каждом посту управления и организацией их взаимодействия. Структура постов основана на единых принципах построения и обеспечивается соответствующей организацией их взаимодействия. Посты при этом содержат однотипные каналы ввода и вывода информации с типовыми органами управления и контроля.

В п.2.4 сформулирована и обоснована проектная документация по техническому обеспечению процесса шлюзования. Рассмотрены особенности непрерывных процессов как рабочей среды шлюза, так и изменения координат ворот при их закрытии и открытии.

Моделирование процессов при управлении техническими средствами шлюза выполнено с учетом инерционных динамических процессов в аккумуляторах шлюза которые представляются в виде интегрирующего звена, апериодического звена и пропорционального звена, а также в виде звена запаздывания. Инерционность процессов как особенность использована при имитационном моделировании технологического процесса шлюзования.

В главе III рассмотрено объектно-ориентированное моделирование процессов управления проводкой судов через шлюз.

В п.3.1 разработаны алгебраические модели технологического процесса шлюзования на основе алгебры событий, действий и результатов, включающих операцию конкатенации, альтернативы, итерации и параллельного выполнения, которые представлены в таб. 1.

На основе алгебры событий, действий и результатов получены модели действий операторов и капитанов судов позволяющих формализовать оценку времени реализации алгоритмов шлюзования с учетом изменения окружающей среды (обстановки), что обеспечивает безопасность процессов шлюзования с точки зрения информационной безопасности.

Модели унифицированного процесса моделирования систем управления шлюзованием судов представлены в п.3.2.

Составлены диаграммы классов, объектов, прецедентов для технологических процессов шлюзования судов, а так же диаграммы их состояний. При со-

ставлении диаграмм использован унифицированный язык моделирования (ЦМЬ) - семейства графических нотаций, в основе которого лежит единая ме-тамодель. Диаграммы используются для отображения различных представлений системы, которые также часто называют моделями. Модель ЦМЬ описывает, что должна делать система, поэтому в работе предложен алгоритм их реализации, как программно, так и схемно.

№ п/п Наименование операции Символьное представление Результат действия операции Время реализации

1. Конкатенация Р = а,ак аРк последовательное исполпсние действия а,, затем ак

2. Альтернатива Р = а11ак или ?а - тах

3. Итерация ? = п ,-*-,

4. Парал лель-ное выпол нение Р = а,иак а^а^а^а, А. "аш

Таблица 1. Отношения в алгебре действий и результатов.

В п.3.3 предложены диаграммы видов деятельности и коммутации при проведении проводки судов через шлюз. Деятельность показывает последовательность шагов в ходе выполнения некоторого потока работ (или вычисления). Диаграмма видов деятельности изображает передачу управления от одной деятельности к другой внутри системы. На них показываются виды деятельности, последовательные или параллельные ветвления потока управления и объекта, которые воздействуют на что-то или сами подвергаются воздействию. Они относятся к динамическому представлению системы и особенно важны при моделировании ее функции.

Диаграммы последовательности для описания взаимодействия судов при шлюзовании разработаны в п.3.4.

На рис.7 представлена диаграмма последовательности для моделирования процесса шлюзования судна "сверху - вниз".

Для реализации 1раф-схемы алгоритма пропуска судов использовались следующие алгебраические модели:

АММз1 {¿1ЛВДЛСМА -I- {«2 А}) 4)(а2Л-®з-4 -1- {¿2 ЛАЖ^М' -1- {¿1 А})

На унифицированном языке моделирования построена диаграмма развертывания и функциональной архитектуры систем управления шлюзом. Предложены пути совершенствования безопасности процессов шлюзования на основе совершенствования информационных технологий принятия решений, реализуемых функциональной архитектурой систем управления шлюзом.

"сверху - вниз".

В главе IV представлено цифровое моделирование процессов шлюзования на основе новых информационных технологий. Предложены концепции

16

построения и анализа компьютерной модели системы "Автоматизированного процесса проводки судов через шлюз".

В п.4.1 рассмотрены объектно-ориентированные системы инструментальной поддержки процессов моделирования и проектирования систем управления шлюзом.

Использование цифрового имитационного моделирования при проектировании и создании систем управления техническими средствами шлюза вызвано необходимостью учета статических, динамических и стохастических аспектов функционирования систем. Реализация этих аспектов затруднена, громоздка либо невозможна из-за отсутствия аналитической модели. Однако такая система может быть смоделирована нерез структурные и функциональные взаимодействия своих элементов и при помощи инструментальной программы "Our-CAD", позволяющей выполнить имитационное моделирование ее функционирования в процессе цифровой имитации.

Модель отражает объектно-ориентированный подход к процессу моделирования структурных элементов и в общем является базовой моделью.

Модель предполагает возможность ее модифицирования за счет углубления степени детализации ее составных структурных элементов, например, с учетом гидродинамических характеристик шлюзового бассейна и галерей верхнего и нижнего бьефов, за счет детализации транспортных и технологических периодов шлюзования, за счет ввода и анализа управляющих и дестабилизирующих воздействий и отказов, за счет наращивания функций, возлагаемых на программируемые контроллеры и др.

В п. 4.2 предложена инструментальная программа "Our-CAD" для отладки системы управления шлюзом.

Использование компьютерной модели системы автоматизированного управления шлюзованием и процессов моделирования основано на применении специально созданной универсальной объектно-ориентированной инструментальной программы "Our-CAD" (The Object Universal Resolver - CAD), предназначенной для предпроектных исследований, автоматизированного про-

ектирования информационных моделей сложных систем управления, их компьютерного моделирования и комплексной отладки в масштабе реального времени.

В п. 4.3 предложено объектно-ориентированное имитационное моделирование процессов управления шлюзом.

Инструментальная программа основывается на объектно-ориентированных принципах модульного проектирования и обеспечивает построение и анализ информационных взаимосвязанных динамических моделей многоуровневой структурной иерархии применительно к любым физическим системам, описываемым количественными отношениями (см. приложение 1).

В процессе выполнения расчета предусмотрена возможность управления с экрана дисплея ПК поведением информационных моделей и имитации воздействий внешних факторов. Соответствующая информация о текущих параметрах системы выводится на экран дисплея ПК в цифровом, символьном или графическом виде.

В п. 4.4 осуществлено моделирование технологических процессов при шлюзовании судов.

Результаты имитационного моделирования при инструментальной поддержке "Our-CAD" процесса шлюзования показаны на рис. 8-9.

На рис. 8 показаны особенности технологии проводки судов при шлюзовании с верхнего на нижний бьеф и наоборот. В качестве контролируемых параметров используются Н - уровень воды в шлюзе, N - количество судов на входе и выходе, их технические характеристики. Для реализации процесса шлюзования на программном обеспечении "Our-CAD" в модель системы управления шлюза входит:

- сигнализация прибытия и отправления судов как на нижнем, так и на верхнем бьефах;

- посты управления;

- контроль уровня воды на нижнем и верхнем бьефах;

- модели исполнительных механизмов ворот и затворов галереи для спуска и подъема судов в камере шлюза.

(..•{ От Г ЛИ • [Ущ>Щ'|Ы1им]

■-■м.. -.- - . .- . . . , . _„

: МэлВнтп-г у;. '«'.:. ,■ .Чят-д-мчаим. : ~

ИоЙ

Р ¡■'г

¡«V Гот

) ; вк №

* и 4й

> т_

Л

'Л"-.','Л' ■'Т.-уч.уда ; /й- ^'-г.-.- -У: уг^УА-'^.ИЖ

Рис. 8. Модель системы управления шлюза.

2.60 о.оо

11.64

•'IV

Рис. 9. Период цикла шлюзования.

На рис. 9 представлены результаты цифрового моделирования процесса шлюзования.

В приложении П показаны фрагменты процессов имитационного моделирования процессов шлюзования с различной степенью детализации как состава технических средств шлюза, так и их характеристик. Результаты моделирования использовались для принятия решений по модернизации и совершенствованию организации технологического процесса шлюзования на этапе предварительных исследований по оценке целесообразности изменения технической политики проводки судов по шлюзованным каналам.

Ш. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Проведённые компьютерно-экспериментальные и теоретические исследования по совершенствованию информационного обеспечения процессов моделирования технологических процессов шлюзования судов, а именно, проводки судов по шлюзованным каналам на основе системного анализа менеджмента обеспечения безопасности судопропуска и безотказности оборудования (технических средств шлюза) и систем управления как основы реализации объектно-ориентированного подхода к процессам проектирования, моделирования и программирования решаемых функций при этом, а также реализации информационных систем для управления проводкой судов позволили получить следующие научные результаты:

1. Сформулирован перечень функций, задач и информационных потоков обеспечивающих технологический процесс шлюзования при различном техническом исполнении.

2. Предложена и реализована методика моделирования процессов управления техническими средствами шлюза при реализации проводки судов на основе трёхзвенной структуры системы управления, позволяющей формировать информационный образ изменения параметров шлюза при шлюзовании.

3. Разработан комплекс диафамм на унифицированном языке моделирования, обеспечивающий реализацию технических средств и алгоритмов управления процессом шлюзования.

4. Разработан комплекс математических моделей представления статических структур процесса шлюзования на языке алгебры событий.

5. Предложено и реализовано информационное обеспечение процессов моделирования технологических процессов шлюзования с учётом изменения параметров шлюза во времени на основе инструментального обеспечения языка "Our CAD".

6. Развита и реализована методика функционального моделирования транспортного узла - шлюз с использованием CASE - технологий.

7. Сформулированы пути повышения качества отображения процессов функционирования технических средств шлюза при проводке судов на основе объектно-ориентированного подхода к процессу моделирования при использовании ПМЬ.

8. Теоретические основы работы имеют общий характер и могут быть распространены на другие транспортные и технические комплексы и средства.

9. Результаты работы использованы на предприятиях водного и морского транспорта, в том числе, в управлениях гидросооружений и водных путей в частности Волгограде и С.-Петербурге.

Основные положения диссертации отражены в следующих научных публикациях:

1. Шершн Е.А. Алгоритм управления тиристорным электроприводом двухстворчатых ворот. Труды научно-практической конференции аспирантов и студентов старших курсов СПГУВК., СПб.: СПГУВК, 2003, с. 186-189.

2. Шергин Е.А. Технические характеристики микропроцессорной системы управления затворами галерей шлюза. Сб. научных трудов "Математическое и информационное обеспечение автоматизированных систем" Вып. 12, СПб.: СПГУВК, 2004, с. 248-252.

3. Шергин Е.А. Выбор архитектуры контроллеров в системе управления шлюзом. Труды научно-технических конференции студентов и аспирантов СПГУВК 1.05 - 4.06.04г. СПб.: СПГУВК, 2004, с.248-252.

4. Шергин Е.А. Особенности систем управления техническими средствами шлюза. Труды научно-технической конференции студентов и аспирантов СПГУВК 1.05-4.0604г. СПб.: СПГУВК, 2004, с.252-254.

5. Шергин Е.А., Францев Р.Э. Концептуальная схема цифровой системы управления шлюзования судов. Сб. Материалы Международной

научно-технической конференции. " ТРАНСКОМ-2004". СПб.: СПГУВК, 2004, с.49-51

6. Шергин Е.А. Микропроцессорная система управления асинхронным электроприводом двухстворчатых ворот. "ТРАНСКОМ-2004". СПб.: СПГУВК, 2004, с.51-53.

7. Шергин Е.А., Францев Р.Э. Структурная схема микропроцессорной системы управления технологическим процессом шлюзования, Межвузовский сб.н.тр. " Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних путях", вып.5. СПб.: СПГУВК, 2004, с.121-126.

8. Шергин Е.А. Цифровое управление асинхронным двигателем для привода двухстворчатых ворот шлюза. Межвузовский сб.н.тр. "Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних путях", вып.5. СПб.: СПГУВК, 2004, с. 128-130.

9. Шергин Е.А. Информационный подход к сравнению систем управления. Труды научно-технической конференции молодых научных сотрудников СПГУВК, 1-7 2005г. том 2, СПб.: СПГУВК, 2005, с. 167-172.

10. Шергин Е.А., Макаров Д.А. Объектно-ориентированное моделирование сложных систем и вычислительной сети. Труды научно-технической конференции студентов и аспирантов СПГУВК 29.05 -9.06.06г. СПб.: СПГУВК, 2006, с.121-122.

11. Шергин Е.А. Диаграмма последовательностей для описания динамики взаимодействия технических средств при шлюзовании судов. Труды научно-технической конференции студентов и аспирантов СПГУВК 29.05 -9.06.06г. СПб.: СПГУВК, 2006, с.123-127.

12. Шергин Е.А., Пугач Д.В. Диаграмма последовательностей для формирования базы данных технической документации. Труды научно-технической конференции студентов и аспирантов СПГУВК" 29.05 -9.06.06. СПб.: СПГУВК, 2006, с. 128-129.

СПГУВК ИПЦ Зак. 321 Тир. 60 2006 г.

Is 193 33

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ФУНКЦИЙ, ЗАДАЧ И ИНФОРМАЦИОННЫХ ПОТОКОВ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ШЛЮЗОВАНИЯ СУДОВ.

1.1. Архитектура и особенности систем управления шлюзованными каналами.

1.2. Особенности технологического процесса формирования базы данных при управлении шлюзованием судов.

1.3. Структурные методы управления работоспособностью АСУ техническими средствами шлюза.

1.4. Базовый типовой алгоритм процесса шлюзования судов.

1.5. Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ СРЕДСТВАМИ ШЛЮЗА.

2.1. Общая информационная модель системы управления шлюза в виде трехэлементной системы.

2.2. Структурирование базового системного модуля.

2.3. Информационная модель постов управления шлюзованных каналов в виде субъектного модуля.

2.4. Объектный модуль АСУ шлюза.

2.5. Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ПРОВОДКОЙ СУДОВ ЧЕРЕЗ ШЛЮЗ.

3.1 Алгебраические модели технологического процесса шлюзования судов.

3.2 Модели унифицированного процесса моделирования систем управления шлюзованием судов.

3.3 Диаграммы видов деятельности при шлюзовании судов.

3.4. Диаграммы последовательности для описания взаимодействия судов при шлюзовании.

3.5. Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ЦИФРОВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ШЛЮЗОВАНИЯ НА ОСНОВЕ НОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

4.1 Объектно-ориентированные системы инструментальной поддержки процессов моделирования и проектирования систем управления шлюзом.

4.2 Инструментальная программа "Our-CAD" для отладки системы управления шлюзом.

4.3 Объектно-ориентированное имитационное моделирование процессов управления шлюзом.

4.4 Моделирование технологических и бизнес-процессов при шлюзовании судов.

4.5 Выводы по главе 4.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Использование внутренних водных путей потребовало создания национальных и транснациональных транспортных компаний по управлению движением флота на внутренних водных путях. Центральной проблемой существования таких компаний являются информационно-управляющие системы, реализующие транспортные процессы (перевозки, перегрузки, информационное обеспечение, как технологических процессов перемещения судов, так и обмен информацией между участниками транспортного процесса) [1, 2, 62]. Создание таких компаний и информационно-управляющих систем требует реализации концептуальной модели соответствующей цели управления движения судов, построения комплекса моделей и модельных исследований на модельно- предсказательном уровне с использованием информационных технологий. Учитывая, что транспортные проблемы на ВВП (внутренних водных путях) решаются в двух системах: шлюзование и внешние условия судоходства (в том числе и рынок транспортных услуг), то они относятся к классу больших систем со всеми особенностями анализа, формализации и управления.

Транспортная система как сложная система включает три уровня функционирования [62]:

- уровень шлюзов и бьефов;

- уровень регионов судоходных каналов;

- уровень федеральных, транзитных, международных грузопотоков.

Центр информационного контроля и управления на верхнем уровне связан с региональными центрами управления судопотоками и в тоже время является составной частью информационного управляющего комплекса транспортной отрасли.

Определяющими аргументами функционала качества эксплуатации ВВП являются безопасность и эффективность работы транспортных средств.

Значимость критерия безопасности - безусловна, так же в случае возникновения катастроф на ВВП (навал судов на устои шлюзов и мостов, посадка на мель, разрушение причалов, потеря грузов, гибель людей) связанных с потерей управляемости судов, все остальные оценки транспортного процесса не имеют значения.

Эффективность судопропуска определяется уровнем организации судопотоков и обеспечивается, чаще всего, формированием временных графиков безконфликтного движения судов через гидроузлы (ГУ). Известны алгоритмы построения временных графиков безконфликтного и непрерывного движения встречных потоков судов через гидроузлы.

Для того, чтобы судоходный шлюз, как конечный элемент декомпозиции большой системы контроля и управления движением судовых потоков мог безотказно и устойчиво выполнять свои функции судопропуска, необходимо обеспечить управление технологическим процессом функционирования рабочих органов шлюза и их механизмов на достаточном уровне информационного обеспечения, и формирования управляющих воздействий исходя из состояния объекта и окружающей среды.

Моделирование системы управления техническими средствами шлюза как сложной системы возможно при реализации следующих принципов описания:

- многоуровневое описание системы на различных языках, позволяющих при содержательном описании сложной системы с учетом терминологической и понятийной структуры их информационной связности;

- целеобусловленность технологического процесса шлюзования и проводки судов по каналам;

- иерархии подчиненности процессов глобальной цели проводки судов с учетом принципа компромисса;

- принципа относительности и связности;

- принцип моделируемости, т.е. предвидение поведения во время технологического процесса с помощью моделей состояний и переходов для достижения заданной цели;

- принцип имбиозности, возможность объединения элементов естественного и искусственного интеллекта;

- принцип оперативности, т.е. выполнение процесса судопропуска в реальном времени.

Имеемый опыт разработки моделей процессов управления техническими средствами шлюза в основном был связан с разделением аналоговых и дискретных актов алгоритмов управления, при котором непрерывная часть системы управления и дискретная (логическая) часть создавались раздельно [3,6,7,14,73]. Однако, учитывая что транспортные объекты (в том числе и шлюз) представляются материальными, энергетическими и информационными структурами различного объема и содержания, в техническом отчёте [62] НИР ИПТ РАН предлагается моделировании технологических процессов шлюзования на основе структурно-поточных схем (СПС). Оперировать пространственной моделью в виде ОС (обобщенной структуры) не очень удобно, поэтому при анализе функционирования и взаимодействия элементов ОС целесообразно рассматривать ряд сечений. Это в свою очередь приводит к неоднозначности математического описания. Такой подход для моделирования сложных систем приводит к использованию разделения потоков и элементов на определенные категории (внешние, внутренние, условные, обеспечивающие и т.п.) в каждом конкретном случае и требует выделения функциональных и физико-технических особенностей, а также учета целей и задач исследования, что усложняет процесс моделирования.

Главной целью построения логической модели информационного управляющего модуля (ИУМ) судоходного шлюза, является управление технологическим процессам шлюзования. При этом возможны различные подходы при формализации процессов управления.

Один из подходов позволяет использовать алгоритмическую декомпозицию, как обычное разделение алгоритмов, где каждый модуль выполняет один из этапов общего процесса. Другой подход - объектно-ориентированная декомпозиция, где критерием декомпозиции служит принадлежность элементов к различным абстракциям данной проблемной области.

Оба подхода решают эту задачу разными способами. Во втором подходе технологический процесс шлюзования представляется совокупностью автономных элементов (объектов) взаимодействующих друг с другом, чтобы обеспечить достижение цели, соответствующей более высокому уровню.

Каждый объект обладает своим собственным поведением, моделируя некоторые действия, которые происходят в реальном мире. Так как объекты рассматриваются как реально функционирующие единицы, то в зависимости от поступающей информации они выполняют ту или иную операцию. Если декомпозиция основана на объектах, а не на алгоритмах, то ее называют объектно-ориентированной.

Объектная декомпозиция в отличие от алгоритмической, уменьшает размер программных блоков на основе повторного использования общих механизмов, что приводит к существенной экономии выразительных средств.

Объектно-ориентированные управляющие системы более гибки, и их проще изменять со временем, потому что их схемы базируются на устойчивых промежуточных формах. Такой подход существенно снижает риск при создании сложных информационно-управляющих комплексов, так как они формируются из меньших систем, которые более легко могут быть проверены.

Особую роль в объектно-ориентированном подходе играет понятие абстракции, которое выделяет существенные характеристики некоторого объекта, отличающегося от всех других видов объектов, и определяет его концептуальные границы с точки зрения наблюдателя.

При абстрагировании получают такую абстракцию, которая выделяет свойства, характеристики, существенные для рассмотрения и использования, и исключают те, которые на данный момент не представляют интереса. Выбор правильного набора абстракции для заданной предметной области представляет одну из главных задач объектно-ориентированного подхода.

В целом, выделение абстракций сущности и абстракций поведения соединяет в себе процесс построения статической и динамической моделей исследуемой системы.

Другим подходом к процессу моделирования сложных транспортных процессов является исследование в докторской диссертации Козлова А.В. [43], в которой на примере управления энергетической установкой судна рассмотрена реализация объектно-ориентированного подхода к процессу моделирования сложных технических комплексов и предложено информационное обеспечение в виде инструментальной программы «OUR-CAD».

Отличительной особенностью такого подхода является положение, что любая сложная система может быть представлена в виде трехзвенной структуры: субъект, объект, передатчики, повторяемой столько раз, сколько необходимо для полного описания и представления системы.

Современный уровень развития техники и транспортных комплексов требует реализации интегрированных систем автоматизированного управления техническими средствами шлюза (комплексы шлюзов). Это приводит к необходимости реализации множества функций контроля, обработки и управления оперируемыми данными с их непрерывным межсистемным обменом. Современные тенденции в проектировании [62} и реализации автоматизированных систем управления технологическими комплексами направлены на выделение трех концептуальных иерархических уровней процессов управления технологическими операциями: первый уровень - исполнительный, силовой; реализуется либо зависимым (рефлексивным), либо независимым (безрефлексивным) способом управления потоками; второй уровень - распорядительный, реализуется как правило на основе программно- компьютерных средств и информационных сетей интегрального обслуживания компонент нижнего (исполнительного) уровня; третий иерархический уровень управления опирается на использование естественного интеллекта человека оператора - вахтенного начальника шлюза и системы информационной поддержки принятия решений в штатных и конфликтных ситуациях.

Этот уровень связывает между собой производственный процесс управления пропуском судов через шлюз и технологический процесс автоматического управления операциями рабочих органов камеры шлюза и контрольно-сигнальными средствами взаимной информации о состоянии объекта.

Задача анализа технологического процесса шлюзования заключается в поиске ресурса времени для сокращения времени длительности технологических операций или их совмещения. Эта задача относится к ресурсно-сберегательным технологиям, которая в рамках безопасности , должна повысить пропускную способность шлюзов и каналами в целом.

Эти ресурсы могут быть выявлены либо за счет сокращения: времени операций входа, выхода в шлюз, либо за счет сокращения времени операций функционирования рабочих органов шлюза.

Первое направление зависит от человеческого фактора, поэтому опытные судоводители решают ее достаточно успешно, а неопытные в 4-5 раз медленнее.

Одна из основных опасностей для капитана связана с преодолением "поршневого эффекта" на пороге шлюза, а также точная остановка судна на линии "стоп". Не каждый судоводитель четко представляет собой алгоритм преодоления этих опасностей применительно к инерционным качествам судна.

Для того чтобы существенно сократить разброс времени выполнения этих операций судоводителем и сделать их более безопасными, приближая к минимальному времени выполнения операции, необходимо оказать помощь в ее реализации. Такая помощь может быть представлена в виде программы изменения систем движения судна и момента реверса движителей для погашения инерции, т.е. создание информационной системы поддержки принятия решения при прохождении шлюза.

Практически это может быть реализовано для каждого типа судов в центральном процессоре в котором имеется своя программа для разных уровней межшлюзовых бьефов. Визуализация таких программ для судоводителя может быть осуществлена с помощью движущихся видеосигналов, источников света, расположенным вдоль подходного пола и стенки камеры шлюза [62]. Разработка компьютерной поддержки принятия решений при входе в шлюз может быть разработана на основе построения моделей в виде диаграмм на унифицированном языке моделирования.

Известны исследования в этом плане [73,6,7], которые показали, что при всей эффективности интегрированных систем управления шлюзами с электроприводом ворот, затворами галерей, их практическая реализация представляет собой сложный комплекс технических, организационных и экономических проблем.

Шлюз, как транспортный узел, при различной реализации привода ворот и затворов является сложным транспортно-техническим объектом управления с множеством взаимодействующих систем, в котором находятся человек-оператор или группа операторов. Выполняя конкретные задачи управления, оператор зачастую не может охватывать и перерабатывать большой массив информации для принятия достаточно обоснованных управляющих решений. Кроме того, в силу технологического назначения шлюза, привода различного назначения могут работать в режиме изменения скоростных перемещений, которые не могут быть отслежены в полной мере из-за недостаточной реакции оператора. Кроме этого следует учитывать достаточно большое количество устройств, агрегатов и механизмов, входящих в состав шлюза, а также то, что каждая составная единица оборудования наделяется набором определенных функций, реализация которых обеспечивается соответствующими схемотехническими и программно-аппаратными средствами автоматизации. Сложность АСУ шлюза (информационное обеспечение, алгоритмы действий) очень высока. Соответственно велик объем проектной документации на современные системы управления техническими средствами шлюза, превосходя интеллектуальные и инженерные возможности восприятия информации лицами и группами специалистов, отвечающими за безопасность гидросооружений и сети водных каналов. Становится все сложнее принимать технические и управленческие решения, связанные с обеспечением надежного, безопасного и безаварийного функционирования шлюза. Поэтому, во избежания возникновения аварийных ситуаций в эксплуатации, проектирование шлюзов и их систем управления требует от исполнителей высокой организованности и особой ответственности. Взаимодействие и взаимопонимание проектанта с соискателями определяются системным (в числе комплексным) подходом к решению общей задачи и постановке задачи на соответственном уровне, формированию и глубине детализации требований для исполнителей других (пониженных) уровней.

При проектировании технических средств шлюза и их систем управления обычно используется традиционная технология комплексной отладки алгоритмов управления, которая предусматривает применение специализированных стендов с физическими параметрами (имитаторами), характеризующими шлюз и ворота, его оборудование, посты управления, суда разного типа и вида, а также воздействия, дестабилизирующие транспортно-технологические процессы. Но система шлюзованных каналов является достаточно сложным объектом управления. Поэтому даже при множестве физических имитаторов, многофакторные управляющие и дестабилизирующие воздействия в возможных случайных состояниях охватываются не в полной мере, что не позволяет разрабатывать и обеспечивать алгоритмы автоматизированного управления с требуемой надежностью.

Современные информационные технологии представляют новые возможности эффективного и качественного проектирования сложных систем локальной или сетевой структуры путем компьютерного моделирования, отражающего реальные процессы поведения анализируемых объектов и структур. Одним из перспективных подходов к моделированию и проектированию сложных систем взаимодействия являются объектно-ориентированные подходы, которые были использованы в работах Буча Г. и других соавторов [4,16,17,27, 40,42,46] в основном для решения задач программирования и задач технологических и бизнес-процессов. Реализация объектно-ориентированного подхода к программированию и проектированию сложных систем привела к созданию унифицированного языка моделирования UML, распространение которого подтвердило его широкие возможности при моделировании систем различного назначения в сообществе разработчиков (проектантов). Язык UML является стандартом графического моделирования, но не является и не заменяет текстовые языки программирования, однако оказывает существенную помощь, так как является доминирующим визуальным инструментом при объектно-ориентированном моделировании[42,5 8,97,98,101].

Кроме информационного обеспечения системы управления шлюзованием судов, эффективностью функционирования технических средств шлюза является организация и структура технологического процесса пропуска судов, которые чаще всего основаны на исследовании математических моделей объекта управления и самой системы управления.

Сложность получения объективной модели обусловлена необходимостью:

- большого числа факторов, в том числе влияющих на вышестоящие уровни;

- наличие большого числа конкретизируемых критериев и систем приоритетов;

- необходимостью сопряжения и согласования информационных потоков.

В теории управления сложными и ответственными объектами (систем шлюзованных каналов и водных путей, структур информационного обеспечения технических средств шлюза, сложными транспортно-технологическими объектами, организационно-техническими системами обеспечения судов (ремонтные заводы и комплексы) и др.) получило развитие «общесистемное» направление повышения эффективности процессов проектирования, моделирования и эксплуатации самих объектов, которое основано на использовании модельно-предсказательных подходов к оптимизации, планированию, развитию и управлению технологическими процессами и соответствующих им информационных систем, входящих в автоматизированные системы управления (АСУ).

Это направление в общей теории систем формировалось в фундаментальных работах Богданова А.А., Поспелова Г.С., Дж. Клира, Месаровича М., Варшапетяна А.Г., Советова Б.Я., Яковлева С.А., Попова С.А., Шатихина Л.Г. и др.

Исследования в области управления организационно-техническими системами флотских структур (речной и морской флот) весьма широко рассмотрена в работах Северцева А.А., Рябинина И.А., Гаскарова Д.В., Халиулина Ю.М., Сахарова В.В., Францева И.Р. и др. Среди трудов в области моделирования процессов функционирования судоходных шлюзов достаточно известны работы Адерихиной Е.И., Адерихина И.В., Богарова Ю.В., Кирьянова С.С., Красильникова А.В. и др.

Применительно к системам управления техническими средствами шлюза в работах Богдашкина В.В., Бондаренко B.JL, Ковалева Ю.Н., Марлей В.Е., Каск Я.Н., Преображенской М.В. и др.[2,41,62,83] рассмотрены вопросы по автоматизации процессов шлюзования судов.

Указанные выше исследования и реализация систем управления шлюзами показало, что требуется не только развитие элементной, цифровой и компьютерной базы в каналах управления для повышения безотказности, безопасности и работоспособности, но и реализации и максимально возможного использования новых информационных технологий как при проектировании и эксплуатации этих систем, так и их моделирования при отладке и настройке. При этом возможна унификация программных и аппаратных модулей для отработки информационного и программного обеспечения и, соответственно, при создании новых систем управления.

Анализ выполненных исследований и действий по моделированию, наладке и использованию АСУ шлюз свидетельствует, что для повышения эффективности внедрения в практику объектно-ориентированного моделирования процессов управления техническими средствами шлюзования необходимо сформировать единую научно-обоснованную методику решения вопросов моделирования процессов проводки судов для разных типов и классов судов и их оборудования.

Сложность процессов моделирования технологического процесса шлюзования определяется следующими причинами:

- сложностью проблемы описания процессов управления;

- сложностью управления техническими средствами шлюза при возникновении нештатных ситуаций;

- сложностью описания взаимосвязи отдельных подсистем шлюзования судов;

- сложностью программного обеспечения;

- сложностью обеспечения качества проводки судов.

Сложность проблемы описания процессов управления шлюзом

Основной задачей управления проводкой судов по шлюзованным каналам с использованием информационных систем является создание иллюзии простоты, защищающей оператора и капитанов судов (плавсредств) от сложности исполняемого процесса. Объем исходных данных программного обеспечения при принятии решений по управлению движением судна в шлюзе не входит в число ее главных достоинств, поэтому стараются делать их более компактными или простыми, используя при этом существующие методы и новые научные разработки в этой области. Например, универсальность создаваемых средств измерения уровня воды в шлюзе - очевидна.

Сложность управления техническими средствами шлюза, в зависимости от типа исполнительных механизмов движения ворот и затворов от особенностей каждого из их качества, может быть решена путем интеллектуализации информационного обеспечения АСУ шлюза и канала. Программное обеспечение решаемых инженерных, технических, экономических задач должно обладать максимальной гибкостью для каждого уровня абстракции (сбор данных, сравнение, регистрация, контроль, диагностика, генерация решений).

Сложность программного обеспечения

Программное обеспечение СУ требует создания для управляющего звена блоков будущего документального, информационного, программного обеспечения, из которых составляются элементы более высоких абстрактных уровней. В связи с отсутствием или присутствием в малом количестве в программной индустрии таких стандартов, программные разработки становятся достаточно трудоемким процессом.

Сложность обеспечения качества проводки судов также обусловлена особенностью решаемых задач:

- необходимость анализа большого количества возможных вариантов заполнения шлюза, входа и выхода судна из шлюза, конструктивных особенностей судна;

- невозможность точной аналитической оценки ожидаемого результата от принятого варианта;

- отсутствие надежной статистики по фактическим данным при проводке, возможных аварий, происшествий, столкновений;

- непредсказуемость аварийных ситуаций, в том числе пожара на судне, шлюзовых помещений и агрегатных отсеков.

Сложность процессов моделирования проводки судов предъявляет повышенные требования к методам моделирования, среди которых считается целесообразным использовать модельно-предсказательные подходы, методы имитационного моделирования, ситуационных моделей и экспертных систем, а также CASE и CALS технологий для обеспечения качества моделирования.

Решение задачи моделирования позволяет более обосновано принимать решения при проектировании АСУ, проектировании, наладке и отладке систем управления техническими средствами шлюза. При этом используется меньший объем ресурсов для выполнения необходимых действий как при создании новых систем управления шлюзом, так и при их модернизации, т.е. совершенствовании и развитии, т.е. при более высоком уровне безопасности, конкурентоспособности, рентабельности и эффективности их функционирования.

Для решения задачи объектно-ориентированного моделирования процессов управления техническими средствами шлюза как сложной организационно-технической системы шлюзования целесообразно применение различных видов и способов моделирования. Наиболее часто используется аппарат логико-дифференциальных уравнений [22, 24, 34, 51, 68], сетевые методы [8, 25, 31, 67], методы экспертных оценок и теории игр [22, 45, 52, 55, 57], методы и способы информационных технологий [15, 18, 27, 28, 34, 61, 74], методы системного анализа, объектно-ориентированные методы анализа сложных объектов [8, 9,10, 78, 94].

Анализ публикаций по принятию решений в сложных системах (процессах) [1, 9, 11, 13, 39, 44, 56, 63, 65, 66, 69, 70], позволяет разделить все проблемы, решаемые при моделировании, управлении и проектировании сложных систем, на три класса: хорошо структурированные, слабоструктурированные и неструктурированные.

Согласно этой классификации проблемы исследования операций относятся к хорошо структурированным. Методы «стоимость-эффективность», «качество-конкурентоспособность» представляют собой попытки сравнения вариантов решений для слабо структурированных проблем (систем). Задача моделирования сложных систем может быть отнесена к неструктурированным процессам, так как варианты их решения достаточно многообразны и достаточно субъективны, так как связаны с исполнителем процесса моделирования, т.е. человеком.

В общем случае не существует объективной и обоснованной модели, отражающей основные свойства рассматриваемой сложной системы - системы моделирования. Поэтому при принятии решения используются субъективные оценки экспертов, учитывая, что системный анализ является методом, позволяющим использовать субъективные суждения для слабоструктурированных и неструктурированных проблем. К таким подходам процессов моделирования относятся структурный, процедурно-ориентированный, логически-ориентированный, объектно-ориентированный и другие, каждый из которых целесообразно применять для определенных областей и объектов использования. Исходя из сказанного, исследования в предметной области моделирования технологических процессов, типа шлюзования судов, должны базироваться на комплексном использовании различных подходов в соответствии с решаемыми задачами.

Целенаправленное развитие методов проектирования и моделирования сложных систем вызывает необходимость максимальной формализации способов принятия решений как проектируемых, так и эксплуатируемых шлюзов и их технических средств и систем управления, определяющих эффективность процессов судопропуска судов по шлюзованным каналам. Поэтому разработка эффективных средств и языков моделирования процессов судопропуска позволяет обеспечить безопасность гидросооружений и судов, а также снизить затраты на транспортные услуги и, соответственно, повысить конкурентоспособность фирм, занимающихся транспортными задачами на водном транспорте.

Исходя из сказанного, разработка объектно-ориентированного моделирования процессов управления технологическим процессом шлюзования судов с учетом реализации новых информационных технологий, является актуальной для водного транспорта научно-технической задачей.

Цель диссертационной работы

Повышение эффективности процессов моделирования и проектирования автоматизированных систем управления проводкой судов по шлюзованным каналам на основе использования новых информационных технологий при создании и эксплуатации систем управления техническими средствами шлюза.

Центральным элементом этой научной задачи является использование и совершенствование способов, алгоритмов и языков моделирования сложных систем управления шлюзованными каналами, моделирование технологических процессов проводки судов через шлюз, информационное обеспечение процессов управления движением судов.

Объект исследования

Технология проводки судов через шлюз, структура систем управления технологическими процессами.

Предмет исследования

Информационное, алгоритмическое, программное обеспечение описания алгоритмов управления техническими средствами шлюза при реализации объектно-ориентированного подхода к формализации процессов управления.

Методы исследования

Методологической основой и общетеоретической базой исследований являются принципы системного анализа процессов формального описания алгоритмов управления технологического процесса шлюзования, а также инженерные методы и экспертные оценки, использующие обобщение опыта проектирования систем управления техническим средствами шлюза на различной элементной базе. Теоретической основой развития и повышения качества управления шлюзованными каналами являются объектно-ориентированные языки моделирования сложных систем, основанных на использовании теории управления, теории игр, теории информационных систем, теории баз данных, системологии, теории программирования и др.

Задачи исследования

1. Выполнить анализ функций, задач и информационных потоков при реализации технологического процесса шлюзования судов;

2. Разработать методику моделирования процессов управления техническими средствами шлюза на основе трехзвенной структуры системы управления, позволяющей описывать динамику изменения параметров системы.

3. Предложить комплекс формализованных математических моделей на специализированной алгебре действий, событий, результатов, реализуемых в алгоритмах управления шлюзования судов.

4. Разработать модели процесса шлюзования в виде диаграмм унифицированного языка моделирования.

5. Реализовать методику формирования информационного обеспечения процессов управления проводкой судов через шлюз на основе CASE и CALS технологий. t

9. Результаты работы использованы на предприятиях водного и морского транспорта, в том числе, в управлениях гидросооружений и водных путей в частности Волгограде и С-Петербурге.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведённые компьютерно-экспериментальные и теоретические исследования по совершенствованию информационного обеспечения процессов моделирования технологических процессов шлюзования судов, а именно, проводки судов по шлюзованным каналам на основе системного анализа менеджмента обеспечения безопасности судопропуска и безотказности оборудования (технических средств шлюза) и систем управления как основы реализации объектно-ориентированного подхода к процессам проектирования, моделирования и программирования решаемых функций при этом, а также реализации информационных систем для управления проводкой судов позволили получить следующие научные результаты:

1. Сформулирован перечень функций, задач и информационных потоков обеспечивающих технологический процесс шлюзования при различном техническом исполнении.

2. Предложена и реализована методика моделирования процессов управления техническими средствами шлюза при реализации проводки судов на основе трёхзвенной структуры системы управления, позволяющей формировать информационный образ изменения параметров шлюза при шлюзовании.

3. Разработан комплекс диаграмм на унифицированном языке моделирования, обеспечивающий реализацию технических средств и алгоритмов управления процессом шлюзования.

4. Разработан комплекс математических моделей представления статических структур процесса шлюзования на языке алгебры событий.

5. Предложено и реализовано информационное обеспечение процессов моделирования технологических процессов шлюзования с учётом изменения параметров шлюза во времени на основе инструментального обеспечения языка "Our CAD".

6. Развита и реализована методика функционального моделирования транспортного узла - шлюз с использованием CASE - технологий.

7. Сформулированы пути повышения качества отображения процессов функционирования технических средств шлюза при проводке судов на основе объектно-ориентированного подхода к процессу моделирования при использовании UML.

8. Теоретические основы работы имеют общий характер и могут быть распространены на другие транспортные и технические комплексы и средства.

1. Абрамов О.В., Розенбаум А.Н. Управление эксплуатацией систем ответственного назначения. Владивосток, Дальнаука, 2000,200с.

2. Автоматизация производственных процессов на водном транспорте. Под ред. Попова С.А., М.: "Транспорт". 1983.

3. Александр Леоненков Самоучитель UML. С.Петербург, БХВ-Петербург, 2004, 432с.

4. Антон Элиенс принципы объектно-ориентированной разработки программ. Изд.дом "Вильнюс". М. С.Петербург, Киев, 2002, 496с.

5. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Микропроцессоры и микропроцессорные системы. М.: Радио и связь. 1981, 94с.

6. Белый О.В., Кокаев О.Г., Попов С.А. Архитектура и методология транспортных систем. СПб.: СПГУВК, 2001.

7. Белый О.В., Кокаев О.Г., Попов С.А. Системология и информационные системы. СПб.: СПГУВК, 1999, 333с.

8. Белый О.В., Кокаев О.Г., Попов С.А. Транспортные сети России (системный анализ, управление, нормативы). СПб.: СПГУВК, 1999,147с.

9. Бендерская Е.Н., Колесников Д.Н. и др. Системный анализ и принятие решений. Учебное пособие. СПб.: СПГТУ, 1999,205с.

10. Бертталанфи Л. Фон. История и статус общей теории систем. Системные исследования. Ежегодник, 1973.

11. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика, 1980.

12. Богданов А.а. Тектология всеобщая организация науки. М.: Экономика, 1989.

13. Брахман Т.Р. Многокритериальность и выбор альтернативы в технике. М.: Радио и связь, 1984,288с.

14. Бутов А.С., Гаскаров Д.В. Транспортные системы. Моделирование и управление. СПб.: Судостроение, 2001, 533с.15