автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка инструментария для исследований направлений развития ТЭК

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИКИ им. Л.А. МЕЛЕНТЬЕВА

На правах рукописи УДК 681.142.4 + 51.001.57 + 620.4

Трипутина Биктория Владимировна

РАЗРАБОТКА ИНСТРУМЕНТАРИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЭК (С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ)

Специальность 05.13.16 — Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (энергетика)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н. Л.В. Массель

\

\

Научный консультант д.т.н. Л.Д. Криворуцкий

Иркутск - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

1. Введение............................................................................................................4

2. Анализ предметной области и тенденций развития

современных информационных технологий..............................................11

2.1. Анализ класса задач..............................................................................11

2.1.1. Объект исследований - топливно-энергетический комплекс..................11

2.1.2. Схема исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности..............................................13

2.1.3. Специфика исследований и роль программного и информационного обеспечения................................................................19

2.2. Современные подходы к созданию прикладных

программных систем...............................................................................26

2.2.1. Сети и открытые информационные системы...........................................26

2.2.2. Переход от структурно-алгоритмического к объектному подходу.........30

2.2.3. CASE- средства для проектирования и разработки

программных систем..................................................................................36

2.2.4. Визуальная среда для быстрой разработки приложений Delphi..............41

2.3. Эволюция систем управления базами данных.....................................45

2.4. Требования к инструментальным средствам и постановка задачи создания нового инструментария для исследований вариантов развития ТЭК.........................................................................57

3. Интегрированный программный комплекс для исследований

направлений развития ТЭК россии с учетом требований энергетической безопасности.........................................................................62

3.1. Общая характеристика распределенного интегрированного программного комплекса ИНТЭК...........................................................63

3.2. Методика построения прикладных программных систем

для энергетических приложений.............................................................67

3.3. Проектирование базы данных ТЭК........................................................73

3.3.1. Модель данных ТЭК («Ретроспектива»)....................................................73

3.3.2. Модель данных вычислительных экспериментов («Перспектива»).........76

3.4. Разработка системы оценки результатов вычислительного эксперимента (ДИСАР)........................................................,.................80

3.4.1. Анализ задач, решаемых системой ДИСАР..............................................80

3.4.2. Проектирование ДИСАР.............................................................................85

3.4.3. Реализация (эволюция) ДИСАР..................................................................90

3.4.4. Информационно-графическая подсистема ГИД........................................91

3.5. Информационно-справочная система INS YS на

основе БД «Ретроспектива»....................................................................93

4. Технология вычислительного эксперимента с использованием нового инструментария (ИПК ИНТЭК).........................................................95

4.1. Специфика многовариантного ВЭ при исследованиях направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности.................................................................95

4.2. Основные этапы вычислительного эксперимента................................103

4.3. Технология оценки вариантов расчетов с использованием информационно-графических средств в составе ИПК ИНТЭК...........109

4.4. Укрупненная модель ТЭК России для оценки влияния чрезвычайных ситуаций на топливо- и энергоснабжение потребителей..........................................................................................113

5. Заключение.......................................................................................................118

6. Литература........................................................................................................120

7. Приложения......................................................................................................127

7.1. Приложение 1. Концептуальная модель данных вычислительного эксперимента..........................................................127

7.2. Приложение 2. Примеры внешних моделей (документы табличной формы)..............................................................................134

7.3. Приложение 3. Руководство пользователя системы ДИСАР.............138

1. Введение

Актуальность работы. Топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России является базой экономики страны, обеспечивающей функционирование и развитие отраслей национального хозяйства, нормальную жизнедеятельность населения, интеграцию регионов, формирование значительной части бюджетных

_ ___ __т-ч

доходов и основной доли валютных поступлении. В связи с существенными изменениями условий функционирования топливно-энергетического комплекса (ТЭК), имеющими место в последние годы, проблема энергетической безопасности страны становится все более актуальной.

Решение задачи обеспечения энергетической безопасности страны невозможно без предварительного выполнения большой исследовательской работы, связанной, во-первых, с анализом или выявлением узких мест в снабжении потребителей энергетическими ресурсами нужного объема и качества при критических и чрезвычайных ситуациях; во-вторых, с формированием набора мероприятий, реализация которых ослабит негативные моменты или приведет к устранению выявленных недостатков в процессе топливо- и энергоснабжения. При этом основными методами исследований являются экономико-математическое моделирование и проведение многовариантных расчетов.

С другой стороны, развитие современных информационных технологий существенно усложняет разработку программного и информационного обеспечения исследований, требуя создания их в идеологии открытых систем. Предыдущие поколения программных комплексов не обладали свойствами открытости (в современной трактовке) и распределенности, процесс внесения изменений был трудоемким и дорогостоящим. Фактически, появление нового системного программного обеспечения привело к моральному устареванию существовавшего программного и информационного обеспечения исследований и к необходимости создания принципиально нового инструментария.

Современные сложные прикладные системы обычно строятся на базе вычислительных комплексов с клиент/серверной архитектурой. Создание таких приложений требует значительных материальных затрат, поэтому время их жизни должно быть достаточно долгим. Это обуславливает необходимость применения современных методических подходов и инструментальных средств (объектной технологии, CASE-средств, визуальных сред для быстрой разработки приложений и др.) при проектировании и реализации сложных программных комплексов. Отсутствие соответствующих методик, ориентированных на создание таких комплексов для энергетических приложений, усложняет их разработку.

Таким образом, актуальность данной работы определяется, с одной стороны, актуальностью самих исследований развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, а с другой стороны, актуальностью разработки нового инструментария, обеспечивающего проведение этих исследований на уровне современных информационных технологий.

Информационная технология (ИТ) исследований базируется на ряде работ. Основы ИТ исследований развития ТЭК закладывались работами A.A. Макарова, Б.Г. Санеева, Л.Д. Криворуцкого. В части разработки программно-информационного обеспечения ИТ развивалась в работах Г.Н. Волошина, Т.Н. Антонова, JI.B. Массель и др. Методические основы построения ИТ с учетом требований живучести систем энергетики разрабатывались Л.Д. Криворуцким, Л.В. Массель. В данной работе они были конкретизированы применительно к исследованиям направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности. В вопросах проектирования и разработки баз данных выполненная работа опирается на ставшие уже классическими труды К. Дж. Дейта, Д. Мейера, Дж. Мартина, Ш. Атре, Дж. Ульмана и др.

Объектом исследования является топливно-энергетический комплекс России — совокупность отраслевых систем энергетики (СЭ), включающая: электроэнергетические системы (ЭЭС), системы газоснабжения (ГСС), системы

нефте- и нефтепродуктоснабжения (НСС), системы углеснабжения (УСС), системы теплоснабжения (ТСС), ядерно-энергетические системы (ЯЭС), каждая из которых является сложной системой, предназначенной для добычи (производства, получения), переработки, передачи (транспортирования, хранения и распределения) продукции (энергоресурсов) и снабжения ею потребителей.

Предметом исследования является информационная технология исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, включающая; технологию исследований (математические методы и модели, схема исследований); технологию проектирования и разработки инструментальных средств исследований (программно-информационное обеспечение); технологию проведения многовариантных вычислительных экспериментов.

Целями данной работы являются:

1. Анализ класса задач, специфики исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, существующей технологии вычислительного эксперимента и требований к инструментальным средствам.

2. Исследование современных информационных технологий и выбор технологий, отвечающих потребностям энергетических исследований, формулирование требований адаптации новых технологий к исследованиям энергетики.

3. Разработка информационной технологии исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, а именно:

а) разработка методики построения прикладных программных систем для энергетических приложений;

б) проектирование логических моделей данных вычислительного эксперимента и состояния объектов ТЭК;

в) проектирование и реализация, на основе предложенной методики, диалоговой информационно-графической системы для оценки вариантов развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности;

г) разработка технологии проведения вычислительного эксперимента с использованием нового инструментария.

Методами и средствами исследования являются: методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики; методы разработки систем баз данных, информационных систем, семантического моделирования данных, проектирования баз данных; объектный подход (анализ, проектирование, программирование), методы системного и прикладного программирования.

Новизну составляют и на защиту выносятся :

1. Методические принципы построения информационной технологии исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, а именно: технологии разработки инструментальных средств и технологии проведения вычислительного эксперимента.

2. Логические модели данных, описывающих состояние объектов ТЭК, и данных, необходимых для проведения вычислительного эксперимента.

3. Методика проектирования прикладных программных систем в идеологии объектного подхода и их реализации в визуальной среде, для энергетических приложений.

4. Логические модели классов, объектов и процессов и функциональная структура диалоговой системы оценки результатов расчетов (ДИСАР).

5. Технология проведения ВЭ и оценки вариантов исследований с использованием системы ДИСАР в составе интегрированного программного комплекса ИНТЭК.

Практическая значимость работы заключается в проектировании и реализации совокупности инструментальных средств программного и информационного обеспечения, включающих: 1) информационно-графическую систему

для оценки вариантов исследования развития ТЭК с позиций энергетической безопасности (ДИСАР), использующую базу данных вычислительного эксперимента (БД «Перспектива»); 2) информационно-справочную систему (INSYS) для представления статистических данных, характеризующих состояние ТЭК в определенный период (БД «Ретроспектива»), Работоспособность разработанных инструментальных средств подтверждается их применением в исследованиях направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности (в частности, при проведении расчетов с использованием укрупненной модели ТЭК России для оценки влияния чрезвычайных ситуаций на топливо- и энергоснабжение потребителей).

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XXIV, XXVII, XXVIII конференциях научной молодежи ИСЭМ (СЭИ) СО РАН (Иркутск, 1994, 1997, 1998 гг.); на заседаниях Всероссийского семинара «Информационные технологии в энергетике» (Иркутск, 1996, 1998 гг.); Всероссийском научном семинаре с международным участием "Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики" (Санкт-Петербург, 1997 г.), на научном семинаре кибернетического центра ИрГТУ в 1999 г., а также на научных семинарах и заседаниях секции Ученого Совета ИСЭМ СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано пять печатных работ, две находятся в печати.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем - 148 страниц, из них 116 страниц основного текста, 26 рисунков, 13 таблиц. Список литературы содержит 74 наименования.

Основное содержание работы

В первой главе характеризуется объект исследований - топливно-энергетический комплекс (ТЭК) России, рассматриваются особенности исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности

(ЭБ), выполнен анализ класса задач и тенденций развития современных информационных технологий.

В соответствии с новыми требованиями, предъявляемыми к современным сложным информационным системам, формулируются требования к информационно-программным системам для обеспечения исследований направлений развития ТЭК. Согласно целям работы, на основе выполненного анализа класса задач исследований направлений развития ТЭК и тенденций развития современных информационных технологий, а также с учетом определенных требований к информационно-программным системам сформулирована постановка задачи разработки прикладной программной системы для оценки вариантов развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности.

Во второй главе излагаются методические принципы построения прикладных программных систем для задач энергетики. Рассматривается интегрированный программный комплекс (ИПК) ИНТЭК - новый инструментарий для исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ. Описывается методика построения прикладных программных систем для энергетических исследований. Подчеркивается важность моделирования данных как обязательного этапа проектирования баз данных. Приводятся модели данных ТЭК и вычислительного эксперимента. Описывается проектирование и реализация системы оценки вариантов расчетов (ДИСАР), а также информационно-справочной системы (Ь^уэ).

В третьей главе описывается автором технология вычислительного эксперимента (ВЭ) с использованием нового инструментария. Рассматривается традиционная технология проведения многовариантного ВЭ при исследования направлений развития ТЭК. Описываются особенности ВЭ, которые привносятся необходимость учета требований энергетической безопасности. Выполнен анализ основных этапов вычислительного эксперимента, определяемых применением ИПК ИНТЭК. Приводится описание укрупненной модели ТЭК России для оценки влияния чрезвычайных ситуаций на топливо- и энергоснабжение потре-

бителей, разработанной для апробации технологии проведения ВЭ с помощью ИПК ИНТЭК.

В Приложении 1 приведена концептуальная модель данных вычислительного эксперимента. Приложение 2 содержит примеры внешних моделей (документы табличной формы). Документация информационно-графической системы ДИСАР и примеры интерфейсов работы системы приведены в Приложении 3.

Основные результаты работы перечислены в заключении.

Автор благодарит своего научного руководителя JI.B. Массель, чья поддержка и чуткое руководство позволили оформить результаты многолетней практической и исследовательской работы в диссертационную работу, научного консультанта Л.Д. Криворуцкого за своевременные советы и замечания, сотрудников отдела 30 Н.И. Пяткову, М.Б. Чельцова, С.М. Сендерова, С.М. Клименко за доброжелательную поддержку и квалифицированные консультации, предоставляемые ими в ходе работы. Автор также благодарит сотрудников сектора 34 H.H. Макагонову, Н.С. Прокопченко, В.Н. Владыкина, А.Р. Ершова за плодотворное сотрудничество, обеспечившее успешное завершение практической и исследовательской работы.

2. Анализ предметной области и тенденций развития

современных информационных технологий

Одной из крупнейших отраслей народного хозяйства является топли