автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Повышение эффективности энергосбережения машиностроительных производств на основе применения управляющих информационно-аналитических систем

На правах рукописи 4В5Ь#ио

Семилеткин Виктор Юрьевич

Повышение энергосбережения машиностроительных производств на основе применения управляющих информационно-аналитических систем

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-6 ОКТ 2011

Москва 2011

4856706

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович кандидат технических наук, доцент Цыпкин Владимир Николаевич Институт конструкторско-технологической информатики Российской академии наук, г. Москва

Защита состоится « 2> » о/о-ж^^л 2011 г. в часов на заседании

диссертационного совета Д 212.142.03 ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., 1

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Автореферат разослан « 2 6 » 2011 г.

Отзыв на автореферат просьба направлять в двух экземплярах по вышеуказанному адресу ученому секретарю диссертационного совета Д 212.142.03.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.142.03

к.т.н., доцент

Е.Г. Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Реальная энергоэффективная экономика требует создания современных механизмов контроля и управления потреблением энергии. Необходима комплексная автоматизация деятельности всей организационной структуры энергосбережения, создание единого информационного пространства, внедрение программно-технических систем и комплексов, обеспечивающих анализ информации и поддержку принятия управленческих решений. Это имеет особое значение для холдинговых компаний, включающих машиностроительные производства.

Целью разработки и внедрения управляющей информационно-аналитической системы (ИАС) является повышение эффективности работы всех уровней системы энергосбережения, достижение реальной экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) за счет комплексной автоматизации задач на основе единого информационного ресурса

В результате анализа предметной области можно выделить три подсистемы:

1. Подсистема объектов - потребителей и производителей ТЭР.

2. Подсистема объектов, образующих организационную структуру системы энергосбережения.

3. Подсистема управления, объединяющая подсистемы 1 и 2. При этом подсистема 1 является объектом управления, подсистема 2 - регулятором.

Взаимодействие подсистем 1 и 2 заключается в контроле состояния объектов подсистемы 1 и выработке в подсистеме 2 управляющих воздействий, обеспечивающих достижение целей управления. В то же время, подсистема 2 рассматривается как организационная система, внутри нее выполняется множество производственных или "деловых" процессов, как непосредственно связанных с управлением подсистемой 1, так и обеспечивающих инфраструктуру организационной системы.

На ранней стадии концептуального уровня проектирования система энергосбережения и физическая система (организации региона) рассматриваются как взаимодействующие регулятор и объект управления. Подходы к анализу такой системы различны, например когнитивные карты, составляемые группой экспертов. Выделяемые концепты физической системы ориентировочно

определяют минимальный состав разделов информационного хранилища ИАС (могут быть ассоциированы с сущностями).

Если при развитии ИАС требуется уточнение рассмотренных аспектов, анализ балансов энергии и т.д., необходимо привлечение экспертов в предметной области.

В то же время, управление физической системой (формирование регулятором управляющих воздействий на основе контролируемых выходных концептов физической системы) может производиться внутри регулятора -системы энергосбережения (т.е. организационной системы) множеством различных способов. Для создания эффективного регулятора требуется произвести анализ организационной системы и ее формализацию. Результатом является проект ИАС, рассматриваемой в данной задаче, как АСУ энергосбережения.

Анализ вопросов, прямо или косвенно связанных с решаемой проблемой позволил сформулировать основную цель настоящей работы, которая заключается в создании информационно-аналитической системы «Энергосбережения», имеющей распределенную многоуровневую архитектуру и включающую подсистемы уровня холдинга, регионального и территориального уровней.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

• Комплексная автоматизация деятельности каждого звена структуры системы энергосбережения (СЭ).

• Создание информационных условий при принятии оперативных управленческих решений и их мониторинге.

• Организация единой распределенной информационной среды для хранения:

- статистической информации о потребителях энергоресурсов;

- энергопаспортов потребителей ТЭР;

- нормативно-правовой и нормативно-технической информации;

- информации о несчастных случаях, авариях и отказах на производстве;

- автоматизированный сбор отчетной документации (месячной, квартальной, годовой);

- автоматизация производственной деятельности служащих СЭ;

- организация электронного документооборота в СЭ;

- информационная поддержка при подготовке справочно-анали-тических материалов в области энергосбережения и эффективного использования ТЭР. Разработать формальное описание компонент программно-технической платформы и экспертную систему выбора ее элементов. Научная новизна.

1. Установление связей между объектами потребления энергии и объектами, образующими организационную структуру системы энергосбережения.

2. На основе установленных связей разработана модель системы энергосбережения как объектная и функциональная декомпозиция организационной структуры предприятия.

3. Разработаны алгоритмы, поддерживающие информационную и программно-техническую компоненты комплекса баз данных, образующих архитектуру информационно-аналитической системы энергосбережения.

4. Разработаны компоненты и построена экспертная система выбора программно-технической платформы информационной аналитической системы энергосбережения на основе системы характеристических функций, а также эвристических правил.

Практическая ценность работы заключается в разработке методического и программного обеспечения решения задачи выбора программно-технической платформы информационно-аналитической системы энергосбережения.

Реализация работы. Разработанные модели и алгоритмы использованы в экономическом обосновании проекта информационно-аналитической системы энергосбережения.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 3-ей Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» г. Брянск, заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин». Публикации. По теме диссертации опубликованы 5 статей. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы из 43 наименований; изложена на 151 страницах машинописного текста, содержит 32 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования

Анализ вопросов связанных с созданием информационной аналитической

системы (ИАС) энергосбережения позволил сделать следующие выводы.

Для проектирования ИАС можно использовать следующую методику.

1. Производится объектная и функциональная декомпозиция организационной системы - предприятия. Для объектной декомпозиции служит организационная структурная схема предприятия: руководящие лица, подразделения, отношения подчиненности. Для функциональной декомпозиции АСУ рассматривается как система управления: вводятся фазы управления: планирование и т.д.

2. Производится декомпозиция фаз управления на процессы (или фазы ассоциируются с процессами и декомпозируются процессы). Процессы рассматриваются с точки зрения Workflow: создаются карты процессов в нотациях: IDEFO, DFD, IDEF3.

Работа по п. 2 выполняется в среде BPWin. Предварительный состав функций общесистемных процессов учитывает номенклатуру - см. п. 1. Разрабатываются карты общесистемных (без учета объектной декомпозиции п. 1) процессов, например, планирования.

3. Производится отображение моделей п.2 на объектную структуру предприятия. Образуются множества частей (или отдельных функций) общесистемных процессов, поставленных в соответствие элементам организационной структуры (подразделениям). Эти множества определяют состав отдельных АРМ подразделений. Функции АРМ могут повторяться, если функции общесистемного процесса выполняются распределено между подразделениями. Возможна и структурная идентичность (совпадение описаний или сходство описаний) функциональных блоков - это другой вид повторяемости. (Оба вида повторяемости способствуют сокращению объема разрабатываемого ПО за счет использования общих частей ПО - функций, настраиваемых обобщенных функций или за счет частичного использования готовых текстов программ функций).

4. Проектирование структуры АРМов. Состав форм определяется, в основном, по результатам п.З. Для автоматных описаний целесообразно графически представить диаграммы переходов между формами. Большинство инструментов (кнопок) переходов между формами формально появляется на основе предварительно составленных диаграмм переходов.

5. Проектирование архитектуры ИАС. Вводится понятие изменчивости данных и программ. Для постоянных или относительно постоянных частей (в малой степени зависящих от времени и содержания информации ИАС) разрабатываются универсальные постоянные элементы ПО. Для изменчивой части вводится единый язык описания, интерпретируемый постоянными элементами (например, описание шаблонов отчетов, формы диалога при заполнении документов и т.д.).

Отсюда главной целью настоящей работы является создание информационно-аналитической системы энергосбережения, имеющей распределенную многоуровневую архитектуру и включающую подсистемы уровня холдинга, регионального и территориального уровней.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

• Рассмотреть комплексную автоматизацию деятельности промышленного предприятия распределенного типа (холдинга).

• Определить информационные условия при принятии оперативных управленческих решений и их мониторинге.

• Организовать единую распределенную информационную среду для хранения информации:

• Разработать формальное описание компонент программно-технической платформы и экспертную систему выбора ее элементов.

Областью исследований является холдинг, состоящий из промышленных предприятий, имеющий распределенную структуру.

ГЛАВА 2. Общая архитектура ИАС

Общие сведения об архитектуре системы Архитектура ИАС является распределенной и иерархической. В рамках каждого уровня, начиная с территориального, реализуется архитектура клиент-сервер. В состав различных

уровней ИАС входят следующие сервера: территориальный: сервера отделений, сервера территориального узла холдинга (ТУХ)

- региональный уровень: сервер регионального узла холдинга

- уровень холдинга: сервер холдинга Архитектура ИАС в общем виде представлена на рис. 1.

Уровень холдинга

Сервер холдинга

Витрины данных

Рабочие места "клиенты" в ЛС

1. факты

2. документы

репликация

Региональный уровень

Сервер регионального уровня

Витрины данных

Рабочие места "клиенты" в ЛС

5. документы

репликация

Территориальный . уровень

репликация

ЛС отделения

Сервер территориального уровня

репликация

Рабочие места "клиенты" еЛС

Рабочие места "клиенты" в ЛС

2 документы

2 документы

Уровень предприятий

экспорт

Предприятие

Мпсоуув-слросник

Wmdows-опросмик

репликация

Foxpro (dbf)

Небольшие предприятия

Рис. 1. Общий вид архитектуры ИАС.

Сбор первичных данных

Л

VB-опросник по электричеству

VB-опросник по теплу,.

Win ХР и выше MS Access

ДОС-опросник по электричеству

ДОС-опросник по теплу.....

Пересылка сгенерированных файлов репликации на дискетах (e-mail); для внесения в БД оператор серверной части ИАС использует служебные приложения 2, 3.

\Л/ЕВ-сервер (МБ 11в)

АЭР-страницы для доступа к нормативной документации и БД "несч. случаи..." клиентов в ЛС холдинга

Документографические БД "Нормативная документация"

Фактографические БД "Электричество", "Тепло".....

Фактографическая БД "Несч. случаи на производстве"

Рис. 2. Архитектура ИАС территориального уровня.

Рис.1, отражает, в первую очередь, применяемую модель клиент-сервер, взаимосвязь уровней системы. Уровень холдинга включает сервер баз данных, \¥ЕВ-сервер, клиентские места. Региональный уровень аналогичен уровню холдинга. Территориальный уровень включает сервер баз данных ТУСЭ (в каждом ТУСЭ), клиентов сервера баз данных (подключенных только к одному серверу - в рамках ТУСЭ), \УЕВ-сервер ТУСЭ (предназначенный, в основном, для работы в ЛВС); также рабочие места в МРО, работающие с общим файлом БД. Более подробно архитектура ИАС на территориальном уровне представлена на рис. 2. Рис. 2 отражает состав компонент специализированного ПО, а также состав системного ПО, обеспечивающего функционирование ИАС на серверной и клиентских машинах. Также представлены средства, обеспечивающие сбор данных на уровне предприятий (ИАС уровня предприятий).

Компоненты ИАС территориального уровня. В составе ИАС территориального уровня выделяются: клиентские места сервера ТУСЭ серверное ПО (для ТУСЭ), хранилище данных (факты, документы); отдельные программные приложения для сбора данных с предприятий ("временные" клиенты, или "опросники"); ИАС отделений.

На рис. 3. показана основная часть средств ИАС территориального уровня, с классификацией клиентских приложений и соответствующих частей информационного хранилища по функциональному назначению. Хранилище имеет деление на 2 основные части:

справочные БД (хранят первичную информацию по текущему состоянию элекгро, тепло, и топливного хозяйства предприятия, актуальную нормативную документацию, сведения по несчастным случаям на контролируемых предприятиях и т.д. Данные являются "динамическими", отражают текущее состояние контролируемого физического объекта. Данные могут применяться как справочные, для формирования документов в АРМах). Источником наполнения справочных БД являются опросники предприятий, внешние БД нормативных документов, и т.д.

БД АРМов служб холдинга (хранят совокупность рабочих документов инспекций - актов, допусков, предписаний; аналогичную документацию других служб. Данные, после завершения формирования очередного документа, фиксируются в базе. Изменений в сформированных документах, связанных с актуализацией данных в справочных БД, не происходит). Источником наполнения БД АРМ являются АРМы инспекций и прочих служб ТУСЭ.

БД АРМов инспекций

БД АРМ инспектора

Документы (план

обследований,

допуски, акты,

предписания и т.д.)

БД прочих АРМ

п

АРМы

I - инспекторов I холдинга - прочие АРМ

Генерируемые документы: Акты об обследованиях, предписания и

лсания и проч.

Справочная БД

Реестр предприятий (для ТУХ)

БД предприятий (первичные данные: общие сведения о предприятии, фактографические сведения о потреблении разл. видов ТЭР)

БД по технике безопасности

Прочие БД (первичные данные)_

I АРМ администратора ИАС I (чтение, редактрование, запись в БД).

Аналитическая подсистема ИАС (средства выборки, поиска, анализа, отображения данных): генератор

отчетов {возможно, дополнительные средства разработки)

Средства импорта данных в НАС (из МРО. из средств сбора первичных данных от предприятий)

„предприятия

Шв

Шаблоны отчетов, проч. документов

Отчеты ТУСЭ (месячные, квартальные, годовые)

На региональный уровень ИАС

Рис. 3. Функциональное назначение объектов ИАС

Подсистема сбора первичных данных. Сбор первичных данных осуществляется на уровне предприятий. Применяются специализированные средства - опросники, позволяющие ввести, сохранить сведения о предприятии (о составе оборудования, потреблении и т.д.) и сформировать файл для передачи на сервер ТУСЭ (или МРО).

Средства сбора первичных данных могут применяться как для одноразового сбора сведений (опросники), так и для постоянного ведения БД (хранятся справочные данные о предприятии), т.е. применяться в качестве клиента ИАС на предприятии.

Подуровень территориального уровня ИАС имеет архитектуру, аналогичную ИАС ТУСЭ. Различие, в основном, состоит в применяемых средствах (применяется СУБД Microsoft Access, имеющая меньшую стоимость, чем MS SQL Server).

Связь между ИАС отделений и ТУСЭ заключается в передаче из отделений отчетной документации и (если необходимо) первичных данных о предприятиях.

Региональный уровень. На региональном уровне действует центральный сервер, на котором устанавливается:

- серверные программные приложения ИАС;

- сервер фактографических баз данных;

- WEB-сервер;

- хранилище данных.

Хранилище данных имеет аналогичную ИАС территориального уровня архитектуру, содержит документоориентированные БД и фактографические БД.

Клиенты регионального сервера являются Internet-клиентами. Состав клиентских приложений в целом функционально аналогичен составу пользовательских приложений территориального уровня ИАС. Существенно отличаются средства реализации и архитектура приложений. Работа клиентских приложений обеспечивается серверными приложениями (asp), которые реализуют доступ клиентов к БД, основные задачи выборки и обработки данных, формирование результирующих данных для передачи клиентам.

Аналитическая подсистема регионального уровня имеет набор средств (приложений), в базовом составе аналогичный территориальному уровню.

Уровень холдинга. В целом структура средств, способы реализации и технология взаимодействия клиентов с серверами аналогична региональному уровню. На уровне холдинга существенно изменяется характер решаемых информационно-аналитических задач. Тематическое разделение фактографических БД несколько отличается от применяемого на территориальном и региональном уровнях. Кроме того, в первой очереди ИАС на уровне холдинга не реализуется хранение первичных фактов (поступающих из справочных БД ТУСЭ). Состав фактов в БД формируется на основе данных из отчетных документов, поступающих с нижестоящего уровня (отчетов региональных и территориальных служб). Отчеты, поступающие на сервер ТУХ, являются либо регулярными (месячными, квартальными, годовыми) -типовыми отчетами о деятельности служб; либо произвольной тематики, по форме, разрабатываемой средствами генерации произвольных отчетов. Заполнение отчетов на нижестоящих уровнях ИАС выполняется автоматически из БД АРМов служб.

На уровне холдинга можно выделить такие тематические БД, как "Лимитирование ТЭР", предназначенную для автоматизации планирования лимитов потребления; БД "Статистика энергопотребления", отражающее фактические показатели потребления ТЭР.

Глава 3. Территориальный узел ИАС

ИАС территориального узла (ТУ) представляет собой комплекс баз данных (БД), расчетных приложений и средств генерации отчетов. Проектируемая ИАС является распределенной и имеет серверную (физическое расположение в УХСЭ) и клиентские части (располагаются на отдельных предприятиях, переносных компьютерах инспекторов холдинга и т.д.). Обмен информацией между клиентской и серверной частью может осуществляться с использованием локальной сети, сети Internet или (при отсутствии связи между компьютерами) с помощью съемных носителей.

Назначение и структура ТУ ИАС. ТУ ИАС предназначен для:

• автоматизации статистической отчетности предприятий по энергопотреблению генерацией соответствующих отчетов);

• автоматизации выполнения расчетов по энергопотреблению (например, расчет электробаланса и т.д.);

• Информационного обеспечения клиентских мест нормативно-технической и нормативно-правовой документацией;

• Информационного обеспечения клиентских мест технической информацией по приборам учета энергоресурсов.

Общая структура ТУ ИАС представлена на рис. 4

Серверная часть включает:

- реляционную БД предприятий,

- реляционную БД по установленному энергетическому оборудованию и статистике энергопотребления предприятий,

- полнотекстовую БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации,

- комплекс расчетных приложений для выполнения расчетов по энергопотреблению,

- комплекс средств генерации статистических и технических отчетов,

- средства репликации серверных БД на клиентские рабочие места.

Малый КЛИЕНТ: приложения для ввода данных, формирования экспортного файла БД (опросник)

Рис. 4. Общая структура ТУ ИАС

Клиентская часть включает:

- реляционную БД по установленному энергетическому оборудованию и статистике энергопотребления для конкретного предприятий (или группы предприятий для инспектора холдинга);

- полнотекстовую БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации;

- комплекс расчетных приложений для выполнения расчетов по энергопотреблению;

- комплекс средств генерации статистических и технических отчетов;

- средства репликации клиентских данных на серверную часть.

При наличии сетевой связи между сервером и клиентом на клиентском месте БД нормативно-технической и нормативно-правовой документации, а также БД по техническим характеристикам приборов учета энергоносителей могут отсутствовать (располагаться на сервере) и доступ пользователей к ним осуществляется с использованием сетевых средств.

Архитектура программного обеспечения ТУИАС. В качестве основных положений концепции архитектуры ТУ ИАС (рис. 5) можно предложить: концепцию единого распределенного информационного ресурса; иерархию уровней ТУ ИАС; единство моделей данных; многообразие способов взаимодействия в системе, адаптивный характер коммуникационный среды; применение технологий «клиент-сервер» при решении широкого класса информационно-аналитических задач; многоцелевое использование системы; расширяемый и легко заменяемый состав информационно-аналитических приложений на всех уровнях ТУ ИАС;

Рис. 5. Общая структура ТУ ИАС

Глава 4. Формальное описание компонент программно-технической платформы ИАС холдинга.

Характеристические функции и характеристические формулы - как основа формального описания ИАС в «р-мерном» пространстве. Создание и развитие ИАС ЭС промышленного холдинга является чрезвычайно сложной задачей. В целях успешной реализации вопросов управления энергосистемой, решения финансово-экономических и административно-хозяйственных задач с минимальными материальными и временными затратами необходима разработка единой комплексной методологии создания информационно-управляющей системы, задача которой установить порядок и правила разработки ИАС на всех стадиях жизненного цикла.

Основой современной методологии построения комплексных информационных систем является проблемно-ориентированный подход.

Одновременно с процессом развертывания этой части информационной системы «от первой проблемы» ведется анализ и оптимизация других проблемных ситуаций, и описанный цикл повторяется.

В основу средств формального описания элементов ТУ ИАС положено

понятие функций , отражающих определенный 7(7 = 1,2,...,/;) признак (или

технический параметр), принимающий /-ое (/ = 1,2,...,т) конкретное значение к-то (к = 1,2,...,.?) объекта (компонента аппаратуры ТУ ИАС) (кеУ - множество элементов аппаратуры ТУ ИАС). Иными словами, любой к-й объект описывается в р-мерном пространстве, в котором р - определяется числом определенных у - признаков, которые принимают некоторое число /-х возможных конкретных значений. Тогда набор конкретных объектов можно представить набором точек р-мерного пространства с конкретными координатами.

Любой "к"-ый объект описывается набором координат в этом пространстве, совокупность которых условно назовем характеристической формулой (или характеристической матрицей). Таким образом, характеристическая формула имеет вид:

г* =< рк рк рк >

где к - рассматриваемые объекты (популяции объектов) из множества элементов системы управления У; у - признаки объектов, количество которых определяет размерность '^"-мерного пространства; г - возможные конкретные значенияу'-ых признаков.

Характеристическая матрица имеет вид:

I I 1 2 ... т

1 1 0 0

2 0 0

Р 0 1 0

Для каждого у'-го признака может быть разное количество г'-ых конкретных значений, "1" показывает, что объект на данном у'-м признаке принимает данное г-ое значение.

Очевидно, что если принять "/' за уровни ориентированного графа, а"/'" за его вершины на каждом уровне, то характеристические формулы можно также представить в виде деревьев графа.

В результате такого представления мы получим граф, описывающий все возможные компоновки аппаратуры автоматизированной системы ТУ на всех уровнях архитектуры (аппаратно-программной платформы, программного обеспечения, используемых интерфейсов и протоколов связи, аппаратуры низового уровня и т.д.).

Анализируя различные сочетания /'-ых значений на различных у'-ых уровнях графа, можно определить реализуемость и целесообразность существования тех или иных деревьев, описывающих реальные элементы управляющей системы и их технические характеристики.

Очевидно, что в итоге получим ориентированный взвешенный граф, для которого возникла задача выбора дерева с набором максимальных экспертных оценок. Иными словами, нужно определить пути в графе от истока в сток, вес которых был бы максимальным.

С учетом вышесказанного можно записать целевую функцию: Р

х(УЛеГ)

у' = 1 ; = 1 ,т

Совокупность путей для всех к-и элементов, принадлежащих множеству У определяют оптимальную спецификацию оборудования ТУ ИАС. Путь максимального веса в графе определяется по алгоритму Дейкстры.

Экспертная система выбора программно-технической платформы ТУ ИАС. Цель разработки экспертной системы (ЭС) - создание пакета программ, которые при решении задач, трудных для эксперта-человека при проектировании территориального узла ИАС, на основе эвристических знаний, получают результаты, не уступающие по качеству и эффективности решениям, принимаемым экспертом/разработчиком. Экспертная система решает трудно-формализуемые задачи или задачи, не имеющие алгоритмического решения, повышая эффективность (при общем снижении затрат) проектных процедур.

Служебное назначение системы ЭС заключается в формировании основного и вспомогательного оборудования ТУ ИАС. ЭС использует систему формального описания элементов ИС для оптимизации процесса выбора. Рассмотрим фрагмент ЭС, определяющей спецификацию оборудования для ТУ ИАС.

Процесс оптимизации состава ИАС можно представить в виде ориентированного взвешенного графа 0=(Х,Е). Весами дуг графа являются экспертные оценки выбора того или иного варианта программных и технических средств, а также их совместимость.

Очевидно, что после построения графа С возникает задача выбора тех дуг, сумма экспертных оценок которых была бы максимальной. Иными словами, нужно определить в графе й = (X, Г), дугам которого приписаны веса (стоимости), задаваемые матрицей С = \с^\, пути от заданной начальной вершины ¿еХдо заданной конечной вершины /е!с максимальным весом, при условии, что такой путь существует, т. е. при условии ге/ф). Здесь -множество, достижимое из вершины 5. Элементы матрицы весов <= 0 для \//,у. Случай отрицательных элементов матрицы весов исключается из рассмотрения.

Эффективный алгоритм решения задачи о кратчайшем (¿-?)-пути дал Дейкстра. Этот метод основан на приписывании вершинам верхних пометок, причем, пометка вершины дает верхнюю границу длины пути от 5 к этой вершине. Эти пометки (их величины) постепенно уменьшаются с помощью некоторой итерационной процедуры, и на каждом шаге итерации точно одна из временных пометок становится постоянной. Последнее указывает на то, что

пометка уже не является верхней границей, а дает точную длину кратчайшего пути от л к рассматриваемой вершине.

Общая структура и компоненты разработанной ЭС. Разработанная ЭС состоит из следующих компонентов (рис. 6):

1. иерархической базы знаний, хранящей множество взаимосвязанных правил, сгруппированных по иерархии принимаемых решений, обеспечивающих допустимый /корректный выбор оборудования в соответствии с требованиями Заказчика;

2. базы данных (рабочей памяти), описывающей реальные типы аппаратуры, программного обеспечения, коммуникационного оборудования, контрольно-измерительной аппаратуры и т.д., которые можно использовать при проектировании ТУ ИАС;

3. интерпретатора, решающего на основе имеющихся в системе знаний предъявленную ему задачу;

4. диалоговой программы взаимодействия с пользователем (экспертом) на естественном для него языке (естественный язык, профессиональный язык, язык графики, пр.);

5. компоненты приобретения знаний;

6. объяснительной компоненты, дающей объяснения действий системы и отвечающей на вопросы о том, почему некоторые заключения были сделаны или отвергнуты.

Рис. 6. Общая структура ЭС

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Решена задача, имеющая существенное значение для машиностроения и заключающаяся в повышении энергосбережения машиностроительных производств на основе применения управляющих информационно-аналитических систем.

2. В соответствии с поставленной задачей установлены связи между объектами потребления энергии и объектами, образующими организационную структуру системы энергосбережения.

3. На основе установленных связей разработана модель системы энергосбережения как объектная и функциональная декомпозиция организационной структуры предприятия.

4. Разработаны алгоритмы, поддерживающие информационную и программно-техническую компоненты комплекса баз данных, образующих архитектуру информационно-аналитической системы энергосбережения.

5. Разработаны компоненты и построена экспертная система выбора программно-технической платформы информационной аналитической системы энергосбережения на основе системы характеристических функций, а также эвристических правил.

6. Выбрана базовая подсистема многоуровневого территориального уровня информационно-аналитической системы (ТУ ИАС), сформирована структурная схема и построен полно связный граф возможных компоновок элементов ТУ ИАС.

7. Разработанная методика ТУ ИАС может быть рекомендована на других уровнях управления и функциональных подсистемах для слаженной работы в рамках единой ИАС с целью уменьшения временных и материальных затрат на проектирование.

8. Результаты работы рекомендуются к применению на машиностроительных предприятиях и в учебном процессе по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Список публикаций

1. Капитанов A.B., Семилеткин В.Ю., Феофанов А.Н. Программно-техническая платформа информационно-аналитической системы. Технология машиностроения. Обзорно-аналитический, научно-технический и производственный журнал. М.: Издательский центр «Технология машиностроения», №7(109), 2011. - 67-70 с.

2. Семилеткин В. Ю. Экспертная система выбора программно-технической платформы территориального узла информационно-аналитической системы энергосбережения. Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №2(14), 2011. - 84-87 с.

3. Семилеткин В.Ю. Архитектура информационно-аналитической системы (на примере ИАС энергосбережения промышленного холдинга). Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №1(13), 2011.-119-123 с.

4. Митрофанов В.Г., Капитанов A.B., Семилеткин В.Ю. Выбор программно-технической платформы информационно-аналитической системы. Межотраслевая информационная служба. Научно-методический журнал./ Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт межотраслевой информации - федеральный информационно-аналитический центр оборонной промышленности», 2010. Вып. 4(153). С. 38-46.

5. Семилеткин В.Ю. Программно-техническая реализация информационно-аналитической системы. Сборник трудов 3-ей Международной научно-технической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» г. Брянск,2011-е. 54-57.

Подписано в печать 22.09.2011

Формат 60x90'/i6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 832

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д.1., стр.1

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования.

1.1 Управляющие информационно-аналитические системы как основной метод повышения энергоэффективности холдинговых компаний включающих машиностроительные производства.

1.2 Концепция проектирования информационно-аналитической системы

1.3 Цель и задачи* исследования. 54?

Глава 2. Общая архитектура информационно-аналитической системы.

2.1 Общие сведения об;архитектуре системы .56}'

2.2 Компоненты информационно-аналитической системы территориального уровня.

2.3 Документоориентированные базы данных.

2.4 Подсистема сбора первичных данных.

215 Региональный'уровень.

2:6 Уровень холдинга:.;.67"

2.7 Территориальный; уровень информационно-аналитической системы.

2.8 Подсистема автоматизированного рабочего места территориального уровня информационно-аналитической системы.

2.9 Информационно-аналитические системы уровня холдинга.

2.10 Информационные потоки в информационно-аналитических системах. 83 2.Щ- Выводы:.:.л.

Глава 3. Территориальный узел информационно-аналитической системы.

3.1 Назначение и;структура территориального узла информационно-аналитические системы,.

3.2 Структура отдельных компонентов территориального узла информационно-аналитической системы.

3.3 Виды информационных запросов территориального узла информационно-аналитической системы. Перечень функций территориального узла информационно-аналитической системы.

3.4 Архитектура программного обеспечения территориального узла информационно-аналитической системы органов Холдинга.

3.5 Расчетно-аналитические приложения территориального узла информационно-аналитической системы.

3.6 Оценка конфигурации системы.

3.7 Выбор конфигурации программной платформы территориального узла информационно-аналитической системы с учетом дополнительных критериев.

3.8 Выводы.

Глава 4. Формальное описание компонента программно-технической платформы информационно-аналитической системы холдинга.

4.1 Характеристические функции и характеристические формулы - как основа формального описания информационно-аналитической системы в "р"-мерном пространстве.

4.2 Формализация описания территориального узла информационно-аналитической системы.

4.3 Экспертная система выбора программно-технической платформы территориального узла информационно-аналитические системы.

4.4 Выводы по четвертой главе.

Реальная энергоэффективная экономика требует создания современных механизмов контроля и управления потреблением энергии.

В своем обращении от 09.10.2009 г. Президент Российской Федерации Д.А.Медведев сказал «мы станем одной их лидирующих стран по эффективности производства, транспортировки и использования энергии».

Для решения поставленной-задачи в работе предлагается рассмотреть систему энергосбережения-крупного промышленного холдинга, состоящего из территориально распределенных предприятий, находящихся в различных регионах страны. При этом необходима комплексная автоматизация деятельности всей организационной структуры энергосбережения; создание единого информационного пространства, внедрение программно-технических систем и комплексов, обеспечивающих анализ информации и поддержку принятия управленческих решений.

Целью разработки и внедрения' управляющей информационно-аналитической системы 1(ИАС) является повышение эффективности работы всех уровней системы энергосбережения, достижение реальной экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) за счет комплексной автоматизации задач на основе единого информационного ресурса [13,2].

В результате анализа предметной области можно выделить три подсистемы:

1. Подсистема объектов - потребителей и производителей ТЭР.

2. Подсистема объектов; образующих организационную структуру системы энергосбережения.

3. Подсистема управления, объединяющая подсистемы 1 и 2. При этом подсистема 1 является объектом управления, подсистема 2 - регулятором:

Взаимодействие подсистем 1 и 2 заключается в контроле состояния объектов подсистемы 1 и выработке в подсистеме 2 управляющих воздействий, обеспечивающих достижение целей управления. В то же время, подсистема 2 рассматривается как организационная система, внутри нее выполняется множество производственных или "деловых" процессов, как непосредственно связанных с управлением подсистемой 1, так и обеспечивающих инфраструктуру организационной системы.

На ранней стадии концептуального уровня проектирования система энергосбережения и физическая система (организации региона) рассматриваются как взаимодействующие регулятор и объект управления. Подходы к анализу такой системы различны, например когнитивные карты, составляемые группой экспертов. Выделяемые концепты физической системы ориентировочно определяют минимальный состав разделов информационного хранилища ИАС (могут быть ассоциированы с сущностями). Если при развитии ИАС требуется уточнение рассмотренных аспектов, анализ балансов энергии и т.д., необходимо привлечение экспертов в предметной области [25].

В' то же время, управление физической системой- (формирование регулятором управляющих воздействий на основе контролируемых выходных концептов физической системы) может производиться внутри! регулятора — системы энергосбережения (т.е. организационной системы) множеством-различных способов. Для создания« эффективного регулятора требуется произвести анализ организационной системы и ее формализацию. Результатом является проект ИАС, рассматриваемой в данной задаче, как АСУ энергосбережения. Следующие п.п.' методики определяют порядок проектирования АСУ для организационной системы [15, 5].

1. Производится объектная? и функциональная декомпозиция организационной системы - предприятия. Для« объектной декомпозиции служит организационная' структурная схема предприятия: руководящие лица, подразделения, отношения подчиненности. Для функциональной декомпозиции АСУ рассматривается как система управления: вводятся- фазы управления: планирование и т.д.

2. Производится декомпозиция фаз управления на процессы (или фазы ассоциируются с процессами и декомпозируются процессы). Процессы 5 рассматриваются с точки зрения Workflow: создаются карты процессов в нотациях: IDEFO, DFD, IDEF3.

Работа по п. 2 выполняется в среде BPWIn. Предварительный состав функций общесистемных процессов учитывает номенклатуру - см. п. 1. Разрабатываются карты общесистемных (без учета объектной декомпозиции п. 1) процессов, например, планирования.

Если информационный: объект ассоциируется* с понятием "документ", это отмечается»: в карте процесса. Для документов целесообразно? ввести* s ' . . отдельную* подмодель - Docflow ("процесс: общесистемного документооборота". Из п. Г, где: АСУ- рассматривается как система, управления,, формально- это не следует: условно вводится новый общесистемный процесс).

Создается первое приближение единой« информационной компоненты АСУ -логическая-модель ERWTn (сущности;определяютсяизБЕВ)«

3. Производится отображение моделей п.2 на объектную структуру предприятия: Образуются; множества* частей' (или отдельных функций) общесистемных; процессов,, поставленных; в соответствие элементам организационной^ структуры, (¡подразделениям): Эти множества определяют состав отдельных АРМ» подразделений. Функции АРМ могут повторяться, если функции общесистемного процесса выполняются распределено между подразделениям и. Возможна и структурная идентичность (совпадение описаний или сходство описаний) функциональных блоков - это другой вид повторяемости. (Оба вида повторяемости способствуют сокращению объема разрабатываемого. ПО за: счет использования общих частей ПО - функций, настраиваемых обобщенных функций- или за счет частичного! использования? готовых текстов программ функций) [4].

4. Внесение динамики" в. модели процессов. Используется математическая модель графов потоков данных (ГПД): если на всех входах вершины графа (функциональный блок) появляются токены (выполненные условия: "есть документ", "есть управление" и т.д.); то вершина-переход 6 срабатывает, помещая токены на выходы (например, зарегистрированный документ в хранилище-архив). Все Элементы карт процессов достаточно легко интерпретируются в Элементы ГПД (нотация ГПД здесь описана не полностью).

5. Организация управления процессами. На практике подавляющее большинство срабатываний переходов в модели, будет связано^ с достижением заданных моментов; временщ движением^токенов-документовда движением токенов-приказов. Процессы, в основном; управляемые документооборотом (данными); могут управляться; по модели ГПД. Для организации; сложных процессов управления в организации- могут применяться известные 2 подхода: . ■

- АСУ вида: "регулятор-- объекты-управления". В" этом^ случае, как правило, для ее описания достаточно« обычного ГПД (образуется автоматизированная система;; управляемая потоками документов); регламент управляющего; документооборота определяется; планами и должностными инструкциями.

- Система управления с ЛПР (лицами^ принимающими решения), в состав которой может входить развитая; система поддержки принятия решений (СППР)! (консультирующая или экспертная система). В этом случае могут применяться сложные алгоритмы анализа данных, состояния« системы, управления; опирающиеся на разнообразный математический аппарат, в т.ч. на теорию искусственного интеллекта (когнитивные карты,, нечеткую логику, семантические модели и т.д.). . .

6. Проектирование структуры АРМ. Состав форм определяется, в. основном, по результатам п.З: Переходы между формами- определяются непосредственно по результатам п.4 и 5 (для различных АРМ: подходы несколько отличаются - см.п.5): Для автоматных описаний целесообразно' графически представить диаграммы переходов между формами. Большинство инструментов (кнопок) переходов между формами формально появляется на основе предварительно составленных диаграмм переходов;

7. Проектирование архитектуры ИАС. Вводится понятие изменчивости данных и программ. Для постоянных или относительно постоянных частей (в малой степени зависящих от времени и содержания информации ИАС) разрабатываются универсальные постоянные Элементы ПО. Для изменчивой части вводится единый язык описания, интерпретируемый постоянными элементами (например, описание шаблонов отчетов, формы диалога при заполнении документов и т.д.). Язык описания и информационная компонента являются едиными для ИАС в целом. Для написания ПО АРМ применяются среды разработки, в которые оптимальным образом интерпретируются модельные описания. Архитектура распределенных приложений - клиент-сервер, применяются как 2-звенный, так и 3-звенный ее варианты.

8 Результаты работы рекомендуются к применению на машиностроительных предприятиях и в учебном процессе по направлению 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

1. Ашре Ш. Структурный подход к организации баз данных. М.: Финансы и статистика, 1983 -319 с.

2. Бобряков A.B., Гурфинкель JI.M., Перейма В.И., Тихонов В.А. Автоматизация работ Управлений Холдинга: цели, задачи, перспективы. // Энергонадзр и энергосбережение сегодня, спецвыпуск, 2001.

3. Бобряков A.B., масалева И.Б. технические характеристики современных систем управления базами данных // Энергонадзор и энергосбережение сегодня, спецвыпуск, 2001.

4. Бобряков A.B., Титов B.JL, Федулов А.с„ Гаврилов А.И. Подход к проектированию информационного хранилища с учетом различных видов классификаций данных / Информационные средства и технологии / тез. докл. межд. конф., М.: МЭИ, 2001.

5. Бобряков A.B., Федулов A.C., Гаврилов А.И., Тихонов В.А. Методика проектирования информационно-аналитической системы, органов холдинга. // Труды Московского энергетического института (технического университета).: М., 2001. с. 21-24.

6. Бойченко А.П., Кальфо В. Овчинников В.В. Локальные вычислительные сети. М.: Радио и связь, 1985.

7. Все необходимое для автоматизации на базе PC. Каталоги продукции Advantech и Octagon Systems.

8. ГОСТ 24940-96. Здания и сооружения. Методы измерения освещенности.

9. ГОСТ 27322-87. Энергобаланс промышленного предприятия. Общие положения.Ю.ГОСТ 34.602-89. ЕКС АС. Техническое задание на создание системы.

10. ГОСТ Р 51379-99. Энергосбережение. Энергетический паспорт промышленного потребителя; топливно-энергетических ресурсов; Основные положения. Типовые формы.

11. Зайцев А. «Новый уровень интеграции; систем управленияшроизводством». .— М.: «Современные технологии автоматизации» №1, 1997, с.22 - 26.

12. Клименко A.B., Вакулко А.Г., Бобряков A.B. Информационно-аналитические системы: архитектура; структура; применение // Энергосбережение: теория и практика:Сборникнаучно-техническихиметодическихработи;докладов:в 2-х ч. М.: АМИПРЕСС, 2002.- ч. 2. - 120 с.

13. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. / Пер. с англ. Вершакова Э.В., Коновальцева И.В., под ред. Гаврилова Г.П. М:: Мир, 1978 — 432с.

14. Кулаков Ю.А., Луцкий Г.М. Компьютерные сети. К.: Юниор, 1998. 384 с.

15. Кузнецов М. М. и др. "Автоматизация производственных процессов". Иод ред Г. А. Шаумяна. -М.: Высшая школа, 1978 г. -431 с.

16. MaMHKOHOBiA.F., Кульба B.B;, Анисимов А.А; и др. Оптимизация структур данньтв АСУ. М!: Наука;, li988;- 256^ . ;

17. Миронов А. Опыт разработки и продвижения комплексных ИС. М.: Открытые системы, №2, 1998 с. 31-32. ■ '■.••■'

18. Передовые технологии автоматизации. Краткий каталог продукции Pro So ftз.о . ■ ." ; ^ 'V;'/ . '",;

19. Попов Э.В. Экспертные системы реального времени. М.: Открытые системы, №2, 1995.-с. 66-71.

20. Попов Э.В. экспертные системы: решение неформализованных задач в диалоге с ЭВМ. М.: Наука, 1987 287 с.

21. РД50-680-88. автоматизированные системы. Основные положения.32..Рыков A.C. Модели и методы системного анализа: принятие решений иоптимизация: Учебное пособие для = вузов. М.:МИСИС, Издательский дом «Руда и металлы», 2005. - 352 с.

22. Родионов Б. Н., и др., "Проектирование, внедрение и эксплуатация функциональных подсистем управления АСУТ11. Алгоритмы решения задач управления"., М.: Машиностроение. 1987 г. - 78 е.

23. Системный А. Мир систем управления. М.: Открытые системы, №2, 1998.- с. 29-30.

24. Сорокин С. Системы реального времени. М.: Современные технологии автоматизации, №2, 1997 с. 22-29.

25. Справочник проектировщика АСУ ТП: Справочник / Под ред. Смилянского Г.Л. М.: Наука, 1988, 527 с.

26. Танаев B.C., Поварич М.П. Синтез граф-схем алгоритмов выбора решений. Минск: Наука и техника, 1974- 112 с.

27. Фролов A.B., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров, Монтаж сети, установка программного обеспечения. М.: Диалог-МИФИ, 1993.-176 с.

28. Хансен Г., Хансен Д. Базы данных: разработка и управление / пер. с англ. под ред. Каратыгина С. М.: Бином, 1999.-699 с.

29. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. М.: Мир, 1978.-420 с.

30. Энергосбережение в системе образования: сборник научно-практических и методических материалов / Под общей ред. Балыхина Г.А., М.: Амипресс, 2000.-143 с.

31. Якубайтис Э.А. Информационные сети и системы: Справ, кн. М.: Финансы и статистика, 1996.-365 с.