автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Обеспечение качества и разработки устройства первичной информации автоматизированных систем телеметрического контроля городских инженерных сетей

Принятые сокращения.

Введение.

Глава 1. Особенности и показатели качества автоматизированных систем телеметрического контроля городских инженерных сетей.

1.1 .Особенности автоматизированных систем телеметрического контроля городских инженерных сетей.

1.2. Концепция создания и структура автоматизированной системы телеметрического контроля городских инженерных сетей.

1.3 Формирование обобщенного комплексного показателя качества автоматизированных систем телеметрического контроля.

1.4. Показатели качества автоматизированных систем телеметрического контроля городских инженерных сетей.

Результаты и выводы.

Глава 2. Информационная технология в автоматизированных системах телеметрического контроля городских инженерных сетей.

2.1. Целевое назначение информационной технологии в задаче телеметрического контроля городских инженерных сетей.

2.2. Концептуальная модель перспективной информационной технологии.

2.3. Математическая модель информационных процессов автоматизированной системы телеметрического контроля городских инженерных сетей.

Результаты и выводы.

Глава 3. Проектирование робастных устройств и подсистем автоматизированной системы телеметрического контроля в задаче катодной защиты.

3.1. Особенности функционирования и проблема обеспечения качества датчика первичной информации автоматизированной системы телеметрического контроля в задаче катодной защиты.

3.2. Математическая модель датчика первичной информации электрода сравнения) и погрешностей измерений поляризационного потенциала.

3.3. Моделирование подсистемы сбора и обработки первичной информации по параметрам достоверности, долговечности, стоимости с применением методов Тагучи.

3.3.1. Робастные технологии и их специфика для поставленной задачи.

3.3.2. Структурное проектирование подсистемы сбора и обработки первичной информации.

3.3.3. Анализ и выбор параметров: экспериментальные исследования и анализ результатов экспериментов.

3.3.4. Установка допусков: исследование функции потери качества для электрода сравнения.

Результаты и выводы.

Глава 4. Формирование и выбор микропроцессорной системы, каналов связи и элементов новой информационной технологии в задаче катодной защиты.

4.1. Интегрированная система как реализация разработанной информационной технологии.

4.2. Вычислительная среда интегрированной системы.

4.2.1 Задачи создания аппаратно-программного комплекса.

4.2.2 Выбор канала связи.

4.2.3 Технические средства связи.

4.2.4 Микропроцессорная система средств передачи информации.

4.3. Исполнительская и методическая среда интегрированной системы.

4.4. Алгоритм корректировки погрешностей первичной информации.

Результаты и выводы.

Интенсивное развитие систем и технических средств автоматизации (ТСА) на базе микропроцессорных (МП) устройств дало возможность их внедрения в области .весьма далекие от традиционных сфер применения. Одна из таких областей - городские инженерные сети (ГИС).

ГИС являются важнейшими элементами обеспечения жизнеспособности города. В настоящей работе рассматриваются ГИС, обеспечивающие транспортировку горячей и холодной воды, пара, газа, а также котельные различного назначения. Техническое состояние ГИС в значительной степени определяет жизнеобеспечение и развитие мегаполисов, крупных городов и промышленных центров. Вместе с тем существует заметный разрыв между уровнем задач, стоящих перед ГИС и сопутствующим оборудованием, и состоянием оборудования, служб ремонта и эксплуатации ГИС.

В настоящее время имеют место серьезные проблемы, связанные с высокими затратами на ремонт и эксплуатацию ГИС, предотвращением аварийных ситуаций, а также ликвидацией последствий при возникновении аварий. В Петербурге и Москве произошел ряд серьезных аварий, повлекших человеческие жертвы и прекращение подачи тепла в промышленные и гражданские объекты. Важнейшим условием безаварийного функционирования таких сетей является обеспечение антикоррозионной защиты подземных трубопроводов и других подземных металлических сооружений (ПМС).

Наиболее эффективно задача антикоррозионной защиты ПМС решается с помощью технических средств катодной защиты (ТСКЗ). Основными недостатками существующих ТСКЗ являются:

1) недостаточный уровень или отсутствие автоматизации при измерении и регулировании поляризационного потенциала, сборе данных о состоянии объекта и ТС КЗ, что приводит к недостоверности и несвоевременности информации, снижению качества защиты и повышению связанных с ним затрат;

2) низкий уровень информативности данных, представляемых обходчиками для принятия решений о распределении ресурсов;

3) значительные транспортные расходы, расходы на содержание персонала операторов-обходчиков, ремонтников при территориальной рассредоточенное™ существующих ТСКЗ;

4) отсутствие комплексного обзора и целенаправленного контроля протекания процессов КЗ на всех объектах.

Исследование указанных недостатков привело к необходимости дальнейшей автоматизации измерений параметров и сбора данных о состоянии объектов и создания системы контроля на основе новой информационной технологии (ИТ) для систем КЗ ПМС, принципы создания которой применимы для других видов ГИС. Диагностирование технического состояния ГИС, представляющих собой протяженные и рассредоточенные объекты, наиболее эффективно с применением автоматизированных систем телеметрического контроля (АСТК) на базе современных ТСА.

В настоящее время внедрены отдельные каналы телеметрии для таких объектов как лифтовое хозяйство, котельные, системы КЗ ПМС. При создании некоторых из них автор принимал непосредственное участие. Однако внедрение современных ТСА в системах контроля ГИС недостаточно. Создание, совершенствование и обеспечение качества АСТК ГИС представляет собой важную народно-хозяйственную задачу, в рамках которой выполнено настоящее диссертационное исследование. Указанная задача является комплексной и состоит в проектировании трех подсистем:

1) подсистемы сбора и обработки первичной информации;

2) подсистемы передачи информации по каналам связи;

3) подсистемы приема и обработки информации верхнего уровня.

Актуальность настоящей работы обусловлена тем, что она посвящена исследованию и разработке подсистемы первичной информации, обоснованному выбору каналов связи АСТК, а также оценке качества ТСА и подсистем АСТК в терминах затрат и прибыли. Работа выполнялась как составная часть работ по техническому перевооружению объектов топливно-энергетического комплекса С-Петербурга.

Задача обеспечения качества АСТК в проблемной области КЗ ПМС от коррозии, которым в работе уделено особое внимание, возникла на стыке нескольких научных дисциплин: радиоэлектроники [12,33,37], теории управления качеством [5,6,7,19,21,22,23,66], теории систем [27,40,64,71] и электрохимии [18,49,77]. Возникшие в данной области практические задачи потребовали разработки новых подходов и критериев качества, моделей информационных процессов, создания более совершенных технических средств и обоснованного выбора ТСА.

Известные из теории управления качеством методы позволяют выполнять сравнительный анализ и выбор вариантов технических средств и систем, однако в условиях рынка возникла объективная необходимость непосредственного выражения показателей качества в терминах экономических категорий. Внедрение таких оценок качества диктует необходимость создания АСТК для передачи и обработки информации, характеризующей не только техническое состояние объектов, но и показатели качества. Обработка на верхнем уровне такой информации и компьютерная поддержка принимаемых решений по распределению ресурсов должна обеспечиваться внедрением новых ИТ. Анализ научно-технической литературы по ИТ [73] показал, что в настоящее время определены термины, задачи, структуры ИТ, однако полученные результаты как правило носят абстрактный характер. Вместе с тем, вопросы формализации и совершенствования ИТ применительно к АСТК ГИС, с которыми столкнулся автор, в значительной степени далеки от решения.

При построении новых систем для телеметрического контроля ГИС и обеспечения качества могут быть прослежены следующие принципы: а) реализация каналов связи для получения информации от пространственно рассредоточенных датчиков; б) получение своевременной информации для оперативного контроля состояния ГИС; в) получение достоверной информации в условиях погрешностей измерений и помех при передаче данных; г) обеспечение робастности в условиях воздействия климатических факторов; д) обеспечение высоких эксплуатационных характеристик средств АСТК и их надежности.

Цель и задачи исследования показаны на рис. 1.0.

Решение поставленных задач позволит повысить качество АСТК в задаче КЗ ПМС, что обеспечит эффективный контроль и диагностирование технического состояния ГИС, снижение затрат на эксплуатацию и ремонт, а также их безаварийную работу.

При исследовании используются методы теории систем, теории вероятностей и математической статистики, теории управления качеством (в частности методы Тагучи) и принципы, основанные на использовании информационных технологий (ИТ).

Рис. 1.0. Цель и задачи исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для обеспечения качества систем радиотелеметрии городских инженерных сетей (ГИС) путем разработки и применения критериев и методов улучшения информационных характеристик устройств первичной информации и каналов связи были решены все поставленные задачи.

В работе предложен новый подход к решению проблемы обеспечения качества автоматизированной системы телеметрического контроля, основанный на внедрении элементов новой информационной технологии и современных технических средств автоматизации на примере КЗ ПМС от коррозии, обеспечивающих достоверность и своевременность первичной информации как основу повышения эффективности всей системы.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

•предложен критерий качества автоматизированных систем телеметрического контроля ГИС, позволяющий учитывать взаимное влияние их показателей качества и оценивать качество для многопараметрических и многоканальных автоматизированных систем телеметрического контроля ГИС в терминах прибыли;

•разработаны методы выбора параметров первичного датчика автоматизированной системы телеметрического контроля, повышающие его робастность на основе нетрадиционного применения методов планирования эксперимента (применен план для дестабилизирующих факторов) и оценки результатов впервые проведенных натурных экспериментов;

•использована локальная микропроцессорная система (ЛМПС) в подсистеме первичной информации, обеспечившая компенсацию погрешностей измерений первичным датчиком по разработанным алгоритмам, автоматизацию процесса сбора данных, управление радиоканалом и регулирование поляризационного потенциала.

Практическая ценность работы заключается в том, что ее результаты внедрены в находящуюся в эксплуатации автоматизированную систему телеметрического контроля. Установленные в диспетчерских пунктах средства автоматизации и радиосвязи обеспечивают систематическое круглосуточное получение данных о контролируемых параметрах в течении 1,5 лет.

Разработанный критерий качества включен в состав ИТ автоматизированных систем телеметрического контроля ГИС, что позволило оценивать и повышать качество подсистем и отдельных технических средств автоматизации в терминах прибыли, принимать обоснованные решения при распределении материальных и трудовых ресурсов;

Разработанные методы по проектированию и обеспечению робастности подсистемы первичной информации системы радиотелеметрии были применены для модернизации ЭС типа "НЭСД-Антикор" при построении автоматизированной системы телеметрического контроля типа КТК-1 (акты внедрения см. приложения 6,7). В дальнейшем предполагается реализовать методики для конкретных технологий и серийного производства.

Решение поставленных задач позволило повысить такие единичные показатели качества технических средств автоматизации как долговечность и нечувствительность к внешним дестабилизирующим факторам подсистемы первичной информации, а также информационные характеристики автоматизированной системы телеметрического контроля путем рационального выбора типа каналов связи. Данные мероприятия позволили повысить значение критерия качества подсистемы первичной

1. Адлер Ю.П. Новое направление в статистическом контроле качества -методы Тагучи. М.: Знание, 1988 - 25с.

2. Адлер Ю.П. Статистический контроль условие совершенствования качества продукции (о методах Г. Тагучи и их применении) // Автомобильная промышленность США. - 1987. - №11. - с. 30-38 .

3. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976 -279с.

4. Адлер Ю.П., Иванова Н.В., Махлин Б.Ю. Применение математических методов планирования эксперимента при анализе надежности радиоэлектронной аппаратуры. в сб.: "Проблемы планирования эксперимента". Под ред. Г.К. Круга. М.: Наука, 1969, с. 298-314.

5. Азгальдов Г.Г., Райхман Э.П. О квалиметрии. М.: издательство стандартов, 1973 - 172с.

6. Азгальдов Г.Г. Теория и практика оценки качества товаров (основы квалиметрии), М.: Наука, 1982 88с.

7. Андрианов Ю.М., Субетто А.И. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении. Л.: Машиностроение, 1990 - 218 с.

8. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента. М.: Радио и связь, 1983 -248с.

9. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ: подход к использованию ЭВМ.-М.: Мир, 1982-480с.

10. Ю.Бежикина И.И., Галицкая В.И. и др. Структура новой версии агрегативной имитационной системы /Теоретические и прикладные вопросы моделирования/МНИПУ. М.: 1984. с. 5-13.

11. П.Бененсон З.М., Елистратов М.Р., Ильин J1.K. Моделирование и оптимизация на ЭВМ Радиоэлектронных устройств. М.: Радио и связь, 1981 -272с.

12. Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника. М.: Недра, 1990 - 370с.

13. Браверман Э.М., Мучник И. Б. Структурные методы обработки эмпирических данных. М.: Наука, 1983 - 464с.

14. Бус лен ко В.Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977 - 240с.

15. Быченок H.H. Автоматизированные информационные системы для принятия решений. Киев: Общество "Знание". УССР, 1982 - 16с.

16. Быченок H.H. Информатика управленческих решений. Киев: Общество "Знание". УССР. !987 - 16с.

17. Быченок H.H. Информационные системы для принятия решений в условиях возмущающих воздействий/УИнформатика и ее приложения. -Киев: Ин-т кибернетики им. В.М. Глушкова АН УССР, 1985. с. 39-46.

18. Бэкман В., Швенк В. Катодная защита от коррозии. М.:Металлургия, 1984-495 с.

19. Варжапетян А.Г., Коршунов И.Г. Достоверность систем телеметрии городских инженерных сетей. международная научно-техническая конференция "Системные проблемы надежности, математического моделирования и информационных технологий - М.: 1998.

20. Варжапетян А.Г., Коршунов Г.И., Коршунов И.Г. Методы и критерии управления качеством технических систем в пространстве выбора вариантов. С-Пб.: Труды Санкт-Петербургской инженерной академи, 1996.

21. Варжапетян А.Г., Коршунов Г.И. Обеспечение качества технических средств автоматизации. Л.: Машиностроение, 1981 - 189 с.

22. Варжапетян А.Г. Коршунов И.Г. Оценка качества информационных систем и систем управления с применением методов Тагучи.международная конференция по информатике и управлению. С-Пб.: С-ПИИРАН- 1997.

23. Варжапетян А.Г. Техническая эффективность и надежность судовых систем управления. JL: Судостроение, 1969 268 с.

24. Вихров Н.М., Гаскаров Д.В., Грищенков A.A., Шнуренко A.A. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов. С-Пб.: Энергоатомиздат, 1995 303с.

25. Вейцман К. Распределенные системы мини- и микро- ЭВМ. -М.:Финансы и статистика, 1983 382с.

26. Гаскаров Д.В., Дахнович A.A. Оптимизация технологических процессов в производстве электронных приборов. М.: Высшая школа, 1986 - 191с.

27. Гиг Дж. Прикладная общая теория систем. М.: Мир, 1981. - т.1 - 336с., т.2 - 736с.

28. Глазунов Л.П., Смирнов А.Н. Проектирование технических систем диагностирования. Л.: Энергоатомиздат, 1982 - 165с.

29. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. М.: Наука, 1982 -552с.

30. Глущенко В.В. Информация. Информационная технология. Принятие решений. С-ПГУВК, 1988 - 89с.

31. Головкин Б.А. Расчет характеристик и планирование параллельных вычислительных процессов. М.: Радио и связь, 1983 - 272с.

32. Горский В.Г., Адлер Ю.П., Талалай A.M. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики). М.: Металлургия, 1978. - 111с.

33. Горяинов В.Т., Журавлев А.Г., Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Сов. Радио, 1980 - 544с.

34. ГОСТ 9.602 89. Сооружения подземные. Общие требования к защите от коррозии.

35. Гриценко В.И., Паныпин Б.И. Информационная технология: вопросы развития и применения. Киев.: Наукова Думка, 1988 - 272с.

36. Гриценко В.И., Паныиин Б.И. Новая информационная технология в организационных системах /' УСиМ 1988 №1 с. 20 - 27.

37. Гуткин Л.С. Современная радиоэлектроника и ее проблемы. М.: Сов. Радио, 1980 - 192с.

38. Данилевский Ю.Г., Петухов H.A. Информационная технология в промышленности. Л.: Машиностроение, 1987 -283с.

39. Дельвинг Г.Н., Траскунов П.М., Царюк Н.М. Управление качеством продукции в электроприборостроении. Л. 1977.

40. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Системотехника. М.: Радио и связь, 1985 - 198с.

41. Ермаков С.М., Жиглявский A.A., Математическая теория оптимального эксперимента. М.: Наука, 1987 - 319с.

42. Зайцев В.И., Насонов A.C., Сериков Г.С. Моделирование систем управления передачей и обработкой данных//Управляющие системы и машины. 1982. - №2. с. 72-74.

43. Зайцев Н.Г., Твердохлеб Н.Г., Зорин М.А. Машинная обработка информации в производственном объединении. Киев: Техника, 1986 -199с.44.3акс Л. Статистическое оценивание. Пер. С нем. под ред. Адлера Ю.П. и Горского В.Г. М.: Статистика, 1978 598с.

44. Илей Л. Фирма Ниппонденсо проводник методов Тагучи // Автомобильная промышленность США. - 1987. - №7. - с. 12 -13.

45. Киселев В.Г., Коршунов Г.И. Информационная технология в задаче электрохимической защиты трубопроводов. Информационные технологии в производстве. М.: Машиностроение, 1999.

46. Кисе лев В. Г., Коршунов Г.И. Комплекс телеметрического контроля установок катодной защиты // Монтажные и специализированные работы в строительстве, №3, 1999.

47. Киселев В.Г., Коршунов Г.И. Технико-экономические и экологические проблемы городских трубопроводных систем// тезисы докладов 6НТК, С-ПГТУ, 1998.

48. Киселев В.Г., Волокитин В.Г., Дончевский C.B., Сигаев Г.И. Экспресс-прогноз долговечности электродов сравнения для установок электрохимической защиты трубопроводов // Монтажные и специализированные работы в строительстве, №3, 1997.

49. Клейнен Д. Статистические методы в иммитационном моделировании. -М.: Статистика, 1978.

50. Коршунов И.Г. Обеспечение достоверности информации и качества систем телеметрии городских инженерных сетей. научная сессия аспирантов. - С-Пб.: С-ПГУАП., 1998.

51. Кунцевич В.М. Адаптивное управление динамическими объектами/УКибернетические методы планирования, проектирования и управления. Киев: Ин-т кибернетики им. В.И. Глушкова АН УССР, 1982 - с.122-130.

52. Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях. М.: Мир, 1983.

53. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь, 1988 -230с.5 7. Международные стандарты. Управление качеством продукции.1.09000 IS09004, М., 1988

54. Минжилкомхоз РСФСР. АКХ им. К.Д.Памфилова. Отчет по теме "Оценка возможности повышения надежности потенциометрических измерений при катодной защите подземных стальных трубопроводов". -М„ 1986

55. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. М.: Радио и связь, 1984 - 159 с.

56. Михалевич B.C., Волкович B.JI. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982 - 266с.61 .Моз1 алевский A.B., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М,: Высшая школа, 1974 - 207с.

57. Моисеев H.H. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981 -488с.

58. Монтгомери Д. Планирование эксперимента и анализ данных. Л.: Судостроение, 1980 - 383 с.

59. Морозов В.П., Дымарский Я.С. Элементы теории управления ГАП. -Л.:Машиностроение, 1984 334 с.

60. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986-288с.

61. Пранявичус Г. Модели и методы исследования вычислительных систем. Вильнюс: Мокслас, 1982 - 227с.

62. Рубак В.Я., Киримок Н.И., Дедиков Э.А. Системное проектирование АСУ. Киев: Техника, 1983 - 136с.

63. Сергиенко И.В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наукова думка, 1985 - 382с.

64. Скурихин В.И., Квачев В.Г. Информационные технологии в испытаниях сложных объектов: методы и средства. Киев.: Наукова Думка, 1990 - 318 с.

65. Смирнов В.Н. Системное исследование показателей качества изделий. -Л.Машиностроение, 1981 184 с.

66. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985 - 251с.

67. Солодовников И.В. Языки, программное обеспечение и организация систем имитационного моделирования. М,: Машиностроение, 1980 -271с.

68. Стрижевский И.В., Белоголовский А.Д. Защита подземных металлических сооружений от коррозии. М.: Стройиздат, 1990 - 304 с.

69. Строгний А. А., Кондратьев А.И. Информационные системы в управлении. Киев: Общество "Знание". УССР, 1980 - 48с.

70. Тарасов В. А., Герасимов Б.М., Токарев И. В. Синтез средств отображения информации: системный подход. Киев, 1986. - 14с. Препр./АН УССР . Ин-т кибернетики им.В.М. Глушкова., 86-2

71. Гульчин Л.Г., Хаскин A.M., Шаповалов В.Д. Оценка качества электроизмерительных приборов. Л., 198281 .Финни Д. Введение в теорию планирования эксперимента. Пер с англ. под ред. Ю.В. Линника. М.: Наука, 1970 - 287с.

72. Флейшман Б.С. Основы системологии. М.: Радио и связь, 1982 - 368с.

73. Хартман К., Лецкий Э.К., Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М.:Мир, 1977 - 541с.v -f*

74. Химмельглау Д. Анализ процессов статистическими методами. Пер с англ. под ред. В.Г. Горского. М.: Мир, 1973 958с.

75. Цирлин A.M. Оптимальное управление технологическими процессами. -М.: Энергоатомиздат, 1986 400с.

76. Шеффе Г. Дисперсионный анализ. Пер с англ. М.: Физматгиз, 1963 -625с.

77. Шишкин И.Ф., Станякин В.М. Квалиметрия. М.:ВЗПИ, 1992 - 256 9.

78. Янсен Й. Курс цифровой электроники. М.: Мир, 1987.

79. Box G., Hunter W., Stuart J. Statistics for Experimenting., New York.: John Wiley&Sons, 1978

80. Daniel C. Applications of statistics to industrial experimentation., New York.: John Wiley&Sons, 1976

81. Kackar, Raghu. Taguchi's quality philosophy: Analisis and commentary., ■/ Quality progress, December 1986, pp. 21-29

82. Ross P. Taguchi techniques for quality engeneering. New York.: McGraw-Hill, 1996-330 p.

83. Taguchi G. System of experimental design (two volumes). ed. by Glassing. -UNIPUB / Kraus and ASI. - 1987

84. Taguchi G. Introduction to quality engineering. Tokyo, Japan. Asian Productivity Organisation, UNIPUB / Kraus International Publication (White Plans N.Y.) and ASI, - 1986.

85. Taguchi G., Yuin Wu. Introduction to Off-Line Quality control. Nogoya, Japan. Central Japan Quality Control Association. -1980

86. Комплекс телеметрического контроля установок электрохимическойзащиты КТК-1., Паспорт ГК 1.000.000 ПС., ЗАО "Пантес"., С-Пб., 1997

87. Комплекс технических средств "Веер". Техническое описание иинструкция по эксплуатации. УАМ 1.219.000 ТО. С-Пб.: МГНПП1. Эскорт" -1993