автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка нового метода и системы отображения данных в задачах ситуационного анализа электроэнергетических сетей с применением технологии виртуального окружения

На правах рукописи

Брагута Максим Валериевич

РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА И СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ В ЗАДАЧАХ СИТУАЦИОННОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 А ФЕ5 2011

Москва-2011

4856212

Работа выполнена в Институте физико-технической информатики — базовой организации Кафедры системной интеграции и менеджмента Московского физико-технического института (государственного университета)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Клименко Станислав Владимирович

Официальные оппоненты:

_Локтор технических наук, профессор Ротков Сергей Игоревич

ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество

_Доктор технических наук, профессор Дворкович Александр Викторович

ученая степень, ученое звание, фамилия, имя, отчество

Ведущая организация: Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН. Иркутск

название организации

Зашита состоится: 24 марта 2011 гола в 15:00 дата, время

на заседании диссертационного совета Д_445.001.01 Федерального государственного

научного

шифр совета, название организации, при которой создан совет, адрес

учреждения «Центр информационных технологий и систем органов исполнительной власти». 123557. Москва. Пресненский Вал. 19. стр. 1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Федерального государственного научного учреждения «Центр информационных техиологни. и систем органов исполнительной власти»

название организации, при которой создан совет

Автореферат разослан_

дата

Ученый секретарь ^ * j

диссертационного совета « /^го ( Бочаров A.B.

L'

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

За последнее десятилетие во всех энергосистемах различных стран мира выросла потребность в наблюдаемости электроэнергетических сетей (ЭЭС) в целях обеспечения надежного п оптимального функционирования, а также для решения задач ситуационного анализа состояний ЭЭС. Вследствие чего значительно выросла детализация моделей, описывающих состояние наблюдаемых систем и потоки информации, консолидируемые диспетчерскими пунктами. Также, в связи с введением конкурентных, рыночных отношений, в информационную модель ЭЭС были включены новые переменные, такие как локальные цены на передачу, выработку электроэнергии, стоимость потерь и др. С момента перехода электроэнергетической отрасли на рыночные отношения стали повышаться требования к надежности функционирования энергосистем. Крупномасштабные каскадные системные аварии (США-Канада в 2003 году, Финляндия в 2003 году, Швеция-Дания в 2003 году, Италия-Швейцария в 2003 году, системная авария в России в 2005 году), происходящие во всем мире, свидетельствуют об недостаточном уровне оперативной ситуационной осведомленности диспетчерского персонала.

На экранах коллективного пользования посредством пользовательского интерфейса отображается лишь некоторая часть всей поступающей информации. Диспетчерский персонал ЭЭС, атомных и тепловых станций, ситуационных центров по принятию решений должен воспринимать и обрабатывать колоссальные объемы постоянно изменяющихся данных. Современные системы автоматизации и мониторинга, установленные на объектах электроэнергетики, «вырабатывают» огромные объемы данных, описывающих состояние внутренних и внешних компонентов систем. Но этот поток данных приводит к снижению уровня информированности диспетчерского персонала по сравнению с предшествующим показателем данного критерия. Объяснением этого феномена служит сложность в восприятии предоставляемых данных и выделении необходимой для диспетчера информации для своевременного вывода системы из нештатных и аварийных режимов.

При возникновении нештатных и аварийных ситуаций, при ситуационном анализе состояния ЭЭС оператору необходимо контролировать весьма сложную систему. Решение вопроса о повышении эффектности работы диспетчерского персонала лежит в разработке новой системы отображения информации, позволяющей отображать большой объем, обеспечивать выделение необходимой информации, функциональную увязку, структурирование, эффективный поиск и навигацию, а также интеграцию данных различных информационных уровней.

Актуальность работы связана с необходимостью поиска и построения принципиально новых информационных решений в условиях ограниченного информационного пространства применяемых в настоящее время технологий - видеостен на пунктах диспетчерского управления и в ситуационных центах по принятию общесистемных решений. Использование технологии виртуального окружения в системах ситуационного анализа ЭЭС является новым шагом в развитии и повышении эффективности систем отображения диспетчерской и технологической информации в сфере электроэнергетики. Применение технологии виртуального окружения может существенно повысить качество предоставления информации за счет «погружения» операторов в виртуальную среду решаемой задачи. Также использование технологии виртуального окружения способствует созданию тренажёрных комплексов с инновационным человеко-машинным интерфейсом, повышающим эффективность процесса обучения за счет обеспечения взаимодействия оператора с виртуальными объектами и наглядного моделирования различных ситуаций и режимов в ЭЭС. Важным достоинством технологии виртуального окружения является возможность моделирования виртуальными аналогами различного реального оборудования, за счет чего увеличивается мобильность и универсальность тренажёрного комплекса.

Объектом исследования данной работы являются системы отображения диспетчерской и технологической информации, используемые для ситуационного анализа состояния системы, а также системы виртуального окружения.

Область исследований (специальность 05.13.01): разработка методов и алгоритмов решения задач системного анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации; методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах; визуализация, трансформация и анализ информации на основе компьютерных методов обработки информации.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является исследование и разработка нового метода отображения диспетчерской и технологической информации с применением технологии виртуального окружения для перехода на более качественный уровень работы операторов при подготовке и решении системных задач при ситуационном анализе состояния ЭЭС.

Для достижения цели диссертационной работы необходимо решение следующих задач:

1.) анализ и построение модели процесса принятия решений диспетчерским персоналом

при ситуационном анализе состояния ЭЭС, а также анализ влияния трехмерного

представления данных на процесс принятия решения. На их основе разработать метод

отображения диспетчерской и технологической информации с использованием трехмерного

4

представления и технологии виртуального окружения;

2.) выбор структуры и состава трехмерных моделей виртуальной сцены, их атрибутов и свойств. Разработка интегрированных вспомогательных виртуальных объектов для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способов интеграции различных информационных уровней. Разработка алгоритмов прогнозирования будущих состояний наблюдаемой системы;

3.) разработка метода и алгоритмов для представления наблюдаемой системы алгебраическими сетями академика Тыугу и рефлексивными рассуждающими сетями с целью решения задач моделирования процессов принятия решений;

4.) создание экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов на основе предложенных в работе концепций, алгоритмов и моделей.

Методы исследовании

Для решения задач, поставленных в работе, использовались положения общей теории принятия решений, принципы ситуационной осведомленности операторов сложных систем реального времени, теория алгебраических сетей, методы вычислительной математики и компьютерной графики.

Научная новизна работы

До последнего времени было предложено лишь несколько технических приёмов отображения информации для приложений в сфере ситуационного анализа состояния ЭЭС. Общие концепции, применимые для использования в технологии виртуального окружения в задачах ситуационною анализа до сих пор не разработаны. В настоящее время не существует экспериментальных образцов использования систем виртуального окружения для задач отображения диспетчерской и технологической информации для ситуационного анализа ЭЭС. Научная новизна заключается в том, что в работе впервые в отечественной практике создания систем отображения диспетчерской и технологической информации для ситуационного анализа состояния ЭЭС, поставлена и решена задача разработки алгоритмического обеспечения и экспериментального образца программно-аппаратного комплекса, позволяющего обрабатывать и отображать необходимую для оператора информацию с использованием технологии виртуального окружения.

Практическая значимость работы

В рамках исследований разработан экспериментальный образец системы отображения

информации, представляющий макро- и микро-данные о состоянии энергосистемы:

визуализация потоков мощности в целом (ситуационные схемы), а также визуализация

5

состояния отдельных элементов и их режимных параметров (однолинейные схемы) электроэнергетической системы. Представлен новый подход к построению систем отображения диспетчерской информации с применением технологии виртуального окружения, ориентированной на многопользовательскую аудиторию. Внедрение результатов исследований обеспечивает:

- создание нового класса тренажёров и систем визуализации диспетчерско-технологической информации;

- сокращение времени обучения оперативного и эксплуатационного персонала;

повышение качества используемых моделей визуализации диспетчерско-технологической информации;

- частичное снятие ограничений, наложенных на информационное поле используемых технологий, путем «погружения» оператора в виртуальную среду.

Применение систем виртуального окружения существенно повышает эффективность использования новой техники, позволяет удешевить и ускорить процесс обучения эксплуатационного персонала. Системы виртуального окружения, особенно системы полного погружения пользователя, предоставляют возможность быстрого восприятия и обработки многомерной информации, работа с которой значительно затруднена при использовании классических методов отображения данных.

Достоверность научных положений подтверждается созданным экспериментальным образцом системы отображения информации, а также апробацией разработанного экспериментального образца на установках виртуального окружения.

Реализаиия

В результате проведенных исследований разработан экспериментальный образец системы отображения диспетчерской и технологической информации с использованием технологии виртуального окружения. Созданный программный комплекс опробован в институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск). Использование предложенного способа отображения информации улучшает восприятие ситуационного состояния наблюдаемой ЭЭС. Разработанный экспериментальный образец системы отображения диспетчерской и технологической информации внедрен для демонстраций и использования в проектных решениях в Институте физико-технической информатики, в Московском физико-техническом институте (государственном университете), в Международном центре по ядерной безопасности Минатома России, в Государственном научном центре РФ ОАО «Научно-исследовательский институт теплоэнергетического приборостроения».

Целесообразность использования положений, описанных в работе, при создании имитационно-тренажёрных комплексов по ситуационному анализу ЭЭС подтверждена 4 актами внедрения, приведенными в приложениях.

Апробация работы

Материал диссертационной работы докладывался и обсуждался на первой международной научной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» (Ижевск, 2009г.), организованной Министерством образования и науки РФ, РАН; на 52-ой Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием Московского физико-технического института (МФТИ) «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Долгопрудный, 2010г.); на международной конференции «MEDIAS — 2010» (г.Лимассол, р.Кипр, 2010г.), организованной Средиземноморским институтом прикладных наук. МФТИ, Кафедрой системной интеграции и менеджмента и Университетом Никосии, а также на научном семинаре ОАО «Научно-исследовательский центр электронной и вычислительной техники» (Москва, 2009г.).

Результаты исследований представлялись и получили одобрение экспертов в финале конкурса русских инноваций - «Умные сети будущего», а также включены в отчет по проекту Российского фонда фундаментальных исследований (грант №09-08-01009-а) «Разработка прототипа системы визуализации диспетчерско-технологической информации для управления электроэнергетическими объектами на основе технологии виртуального окружения».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 работ, из них 2 - в ведущих рецензируемых научных журналах Российской Федерации (перечень высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации).

Личиый вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических исследований и разработки экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов на основе предложенных в работе методов, алгоритмов и моделей и оформлении результатов в виде публикаций и научных докладов.

Структура н объем работы

Диссертация общим объемом 138 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений А-Д. В работе содержится 48 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 105 наименований.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проведение анализа и теоретической оценки эффективности применения технологии виртуального окружения в задачах ситуационного анализа состояния электроэнергетических систем. Построение модели процесса принятия решения диспетчерским персоналом при ситуационном анализе состояния ЭЭС и на ее основе разработка способа отображения диспетчерской и технологической информации с использованием технологии виртуального окружения.

2. Выбор структуры и состава трехмерных моделей виртуальной сцены, их атрибутов и свойств. Разработка и создание интегрированных вспомогательных виртуальных объектов для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способов интеграции различных информационных уровней. Разработан алгоритм построения карт энергетической безопасности систем электроснабжения регионов для прогнозирования будущих состояний наблюдаемой системы.

3. Разработка методов и алгоритмов для представления наблюдаемой системы алгебраическими сетями академика Тыугу и рефлексивными рассуждающими сетями с целью решения задач моделирования процессов принятия решения.

4. Создание экспериментального образца системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов на основе предложенных в работе методов, алгоритмов и моделей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, раскрыта научная новизна и практическая значимость, кратко излагается содержание работы по главам. Приведены предпосылки к исследованию и разработке новых способов отображения диспетчерской и технологической информации в сфере ситуационного анализа состояний электроэнергетических систем.

Первая глава является обзорной частью диссертации. Глава включает в себя анализ существующих систем отображения диспетчерской и технологической информации. Обоснована необходимость поиска новых перспективных методов отображения диспетчерской информации. Рассмотрены преимущества классических двухмерных способов предоставления информации операторам.

Реформирование сектора электроэнергетики, а также реализация программы повышения надежности и наблюдаемости объектов энергетики привели к увеличению консолидируемых потоков информации и повышению требований как к персоналу, так и к расширяемости и возможности адаптации систем управления и оценки состояния

8

электрических сетей и систем визуализации данных. В связи с этим необходим поиск новых перспективных методов отображения диспетчерской и технологической информации о наблюдаемой ЭЭС. Возникла потребность в увеличении эффективности современных систем отображения информации для передачи огромных объемов поступающих данных диспетчерскому персоналу в виде необходимой информации.

В современных системах диспетчерского управления ЭЭС используются комплексы видеоэкранов в сочетании со сложными интегрированными программными приложениями, которые предоставляют необходимую информацию в масштабе реального времени и позволяют оперативному персоналу осуществлять рейдирующие воздействия на наблюдаемую ЭЭС. Классическим методом отображения оперативной информации является применение мнемонических щитов (мнемощитов), представляющими собой конструкции решетчатого типа, собираемые из пластиковых модулей. К преимуществам данной технологии отображения диспетчерской информации следует отнести наглядность представления информации и статическую психологическую привязку мнемощита к реальным элементам системы. Основными недостатками являются сложность модернизации и обслуживания, низкая надежность световых индикаторов, ограничение по количеству отображаемых сигналов и сложность представления больших распределенных схем.

В последние годы во всем мире наблюдается большой интерес к системам отображения информации коллективного пользования на основе видеостен и больших проекционных экранов. Основополагающим методом представления информации является возможность всестороннего просмотра данных, полученных от различных источников, их оперативное сравнение и анализ. Видеостена, как средство отображения коллективного пользования, дополняет функциональность диспетчерского щита возможностью вывода различной динамической информации для ее коллективного анализа. Данная технология отличается большей стоимостью и зачастую небольшим информационным полем, что затрудняет ее повсеместное внедрение в диспетчерских щитах, и тем более в учебно-методических центрах. Также следует отметить, что необходима адаптация персонала, привыкшего к классическим мнемоническим схемам, и эффективное обучение новых операторов диспетчерских пунктов, зачастую рассматривающих монитор (плазменную панель) компьютера или коллективный проекционный экран как нечто абстрактное и не имеющее отношения к реальным объектам электроэнергетики.

В главе описаны аппаратные конфигурации систем виртуальной реальности, которые позволяют воспроизводить в виртуальной среде объекты (их структуру, вид, поведение и взаимодействие), которые в режиме реального времени могут копировать поведение своих

реальных прототипов, находящихся и функционирующих в реальной среде. Следует отметить, что термин «виртуальная реальность» широко распространен в популярной литературе, однако он представляется неудачным для использования в качестве научного термина. В данной работе отдается предпочтение термину «виртуальное окружение» (ВО), поскольку виртуальное окружение - это технология человеко-машинного взаимодействия, которая обеспечивает погружение пользователя в трёхмерную интерактивную среду изучаемого или моделируемого явления или процесса и предоставляет естественный интуитивный интерфейс для взаимодействия с объектами.

На сегодняшний момент существует широкий спектр систем ВО, различаемых по соотношению реальных и виртуальных объектов и разной степени «погружения». Между системами полного виртуального окружения и реальным миром располагается целый ряд приложений. В параграфе приводится описание континуума «реальность-виртуальность», предложенного Полом Милграмом (Paul Milgram) и, классификация систем виртуального окружения, основанная на данном континууме.

Приведено описание сложности отображения больших объемов поступающих к операторам данных и способов акцентирования внимания и выделения необходимой информации. Определены два пути решения возникшей проблемы:

увеличение информационного пространства, путем увеличения площадей отображающих поверхностей;

- использование новых концепций и моделей отображения технологической информации. Исследования, описанные в работе, придерживаются второго пути решения данной проблемы благодаря внедрению третьего измерения в систему отображения диспетчерской и технологической информации и применения технологии ВО для «погружения» пользователей в виртуальную среду.

Вторая глава посвящена описанию роли операторов в системах ситуационного анализа состояния по управлению сложными системами реального времени.

Для однозначного восприятия текущей ситуации в контролируемой автоматизированной системы и принятия эффективных решений, диспетчер нуждается в конкретной информации в определенные моменты времени. Для реализации данного принципа необходима жесткая связь с системой отображения (визуализации) оперативной информации.

Эффективность взаимодействия оперативного персонала и автоматизированной системы в контуре управления зависит от простоты обмена и восприятия информации. Принимается, что необходимо рассматривать каждый аспект функциональных возможностей

автоматизированной системы применительно к конечному пользователю. На концепции, когда человек рассматривается как наиболее важное звено системы управления автоматизированными процессами, основано направление, получившей название Situational Awareness (ситуационная осведомленность - СО).

Современные системы автоматизации и мониторинга, установленные на объектах электроэнергетики, производят огромные объемы данных, описывающих состояние внутренних и внешних компонентов систем. Но этот поток данных приводит к уменьшению информированности диспетчерского персонала по сравнению с предшествующим показателем данного критерия. Объяснением этого феномена служит сложность в восприятии предоставляемых данных и выделения необходимой для оператора информации для своевременного вывода системы из аварийного режима и поиску оптимальных путей решения возникшей ситуации. Образовался существенный разрыв между предоставляемой и необходимой оператору информацией для получения актуальной и своевременной картины о состоянии наблюдаемой ЭЭС. Таким образом, предоставление оператору больших объемов данных не будет приводить к успешным результатам, если эти данные не были обработаны при сложившейся ситуации в наблюдаемой среде для своевременного осознания человеком.

За основу описания процесса принятия решений операторами принимается информационная модель Эндсли (рисунок 1), в которой СО является одним из основных этапов принятия решения и осуществления управляющих воздействий на наблюдаемую систему. Согласно данной модели СО — это восприятие элементов в окружающей среде в пределах объема времени и пространства, осмысления их значения и прогнозирования их состояния в ближайшем будущем. СО включает в себя три основных уровня:

- Уровень 1 - восприятие важнейших факторов окружающей среды;

- Уровень 2 - понимание того, что эти факторы означают;

- Уровень 3 - понимание того, что произойдет с системой в ближайшее время.

Рассмотрены вопросы комплексной категоризации информации о наблюдаемом

объекте, механизмы восприятия и обработки информации в долговременной и краткосрочной памяти диспетчера, а также способы частичной разгрузки и снятия ограничений рабочей памяти. Приведены механизмы формирования и использования ментальных моделей текущих ситуаций.

С полученным опытом операторы вырабатывают собственные ментальные модели системы, на основании которых они работают. Эти модели представляют собой средства интеграции информации без использования рабочей памяти и применяются для разгрузки внимания операторов, а также как механизмы для получения прогнозов будущих режимов

наблюдаемой системы. На основании использования данных моделей было разработано схематичное представление процессов обработки информации диспетчером при оценке состояния ЭЭС (рисунок 2).

Концепция использования ментальных моделей представляет собой механизм для:

1.) фокусирования внимания на соответствующих аспектах режима функционирования ЭЭС;

2.) интеграции информации и восприятия ее смысла;

3.) прогнозирования будущих режимов ЭЭС на основе текущих значений параметров системы и осмысления динамики их изменения.

Рисунок 1 - Модель процесса принятия решений Эндсли

Результаты

Реальное состояние системы

Процессы

Восприятие

Внимание

Осознание

текущей

ситуации

Память

Рабочая память Долговременная память

ментальные модели

Прогнозирование_

состояния ЭЭС -

Внутреннее представление о состоянии системы

Рабочая загрузка, стресс, интерфейс, сложность, автоматизация

Рисунок 2 - Роль задач диспетчера и ментальных моделей в СО

Руководящие принципы, основанные на модели человеческого познания, связанной с динамическими переключениями между инициативными и фактическими данными и их дальнейшей обработкой в рамках ограниченных временных ресурсов оператора:

1.) рекомендуется прямое представление данных верхнего уровня СО, а не предоставление оператору только данных низкого уровня (численные значения режимных параметров), которые должны интегрироваться и интерпретироваться вручную;

2.) информация, предназначенная для решения задач диспетчера, должна быть отображена и организована в удобном виде, совместно с решаемыми задачами;

3.) поддержка глобальной СО наблюдаемой системы имеет решающее значение. В данном случае формируется общее представление о состоянии наблюдаемой системы;

4.) критические сигналы, связанные с основными характеристиками схемы, должны быть определены и включены интерфейс системы;

5.) из объема предоставляемой информации должна быть удалена посторонняя информация;

6.) для реализации параллельной обработки данных в системе, необходимо использование коллективных дисплеев, отображающих более полный объем информации.

В главе выделены следующие потенциальные преимущества трехмерного способа отображения информации:

- увеличение объемов отображаемой информации, которая может быть выведена на стандартные экраны, с учетом графических буквенно-цифровых обозначений,

- увеличение ощущения присутствия оператора в пределах окружающей среды, благодаря использованию технологии ВО;

- помощь в навигации и поиске;

- помощь в решении задач, требующих информационной интеграции;

- разделение целей в глубинах трехмерной сцены;

- облегчение восприятия точных ментальных моделей управляемых систем. Приведены описание и анализ экспериментов, проведенных Инженерно-

исследовательским центром энергетических систем (Power Systems Engineering Research Center (PSERC), по оценке роли человеческого фактора при предоставлении информации различными способами.

Описанные результаты показывают, что использование трехмерного представления данных обеспечивает наименьшее время реакции и принятия решений операторами. Это объясняется тем, что при двухмерном отображении информации большой её объем (вырабатываемая мощность, номинальная и резервная мощность для каждого генератора, перетоки по линиям, пропускная способность линий) требует распределенного внимания и

умственной обработки для каждого режима. Таким образом, применение трехмерного отображения данных в задачах ситуационного анализа состояния ЭЭС и использование технологии виртуального окружения может значительно ускорить процесс обучения оперативного персонала и снизить общих процент ошибочных действий операторов.

На основе вышеизложенного, в главе изложены основные принципы создания экспериментального образца системы отображения диспетчерско-технологической информации (СОДТИ). В основу созданного экспериментального образца положены принципы избирательности, иерархичности и функциональности. Избирательный принцип реализован в виде возможности выбора (вызова) оператором необходимой ему мнемосхемы в зависимости от текущей технологической ситуации. Построение иерархии СОДТИ должно быть реализовано по принципу «от общего к подчиненному частному» (сеть - подстанция, электростанция). При этом уровень «сеть» является «корнем» иерархического дерева. За каждым уровнем СОДТИ должно быть закреплено определенное функциональное назначение. На первом уровне («сеть») реализуются только информационные функции (отображение значений основных параметров, характеризующих технологический процесс в целом, обобщенная сигнализация режимных отклонений и нарушения работы оборудования). Мнемосхемы этого уровня содержат объем информации, позволяющий оценить ситуацию в целом. Функциональность СОДТИ заключается наглядном отображении функционально-технической схемы, а также в отображении связей и характера взаимодействия управляемого объекта с другими объектами и внешней средой.

В третьей главе рассматриваются компоненты системы отображения диспетчерской и технологической информации, основанной на технологии виртуального окружения. Определен состав программного комплекса, состав виртуальных моделей силового электротехнического оборудования, а также их атрибутика и свойства. Описаны разработанные интегрированные вспомогательные виртуальные объекты, введенные для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способы интеграции различных информационных уровней.

Для «быстрой» оценки текущей ситуации в наблюдаемой системе, а также прогнозирования будущих ситуаций (уровни 2 и 3 СО), в работе предлагается построение карт энергетической безопасности моделируемого участка ЭЭС. Для описания разработанного алгоритма и определения уровня энергетической безопасности района в работе были выбраны следующие интегральные показатели:

- индекс изменения собственной выработки генерирующего объекта:

¿(5' +5" +...+5" )

где I - функция, определяющая суммарную выработку электроэнергии в регионе, 5и1 -выработка электроэнергии первого блока электростанции, - выработка электроэнергии /го блока электростанции, - суммарная годовая выработка электроэнергии на территории

региона.

- индекс изменения потребления электроэнергии в регионе (отношение суммарного потребления электроэнергии к тому же в предыдущем году):

дм

где Ь - функция, определяющая суммарное потребление электроэнергии в регионе, -

потребление электроэнергии первым потребителем, ^ 1 - потребление электроэнергии /-м

потребителем, - суммарное годовое потребление электроэнергии на территории регаона.

Для быстрой навигации экспертов в предоставляемой информации и определении состояния в определенный момент времени и прогнозирования её состояния в ближайшем будущем были введены алфавит изменения индексов (/' - увеличения индекса, Г -уменьшение индекса) и цветовая мнемоника уровней безопасности электроснабжения региона:

- Зеленый - ситуацию можно рассматривать как безопасную, в системе присутствует значительный резерв мощности. Ситуация описывается следующим состоянием:

V/', /_.:/ I...;/ ¡...4

- Голубой - ситуация стабильная: в системе присутствует резерв мощности. Наблюдается незначительный рост нагрузки потребителей:

- Желтый — ситуация стабильная, требующая планирования увеличения генерации или снижения потребления электроэнергии:

V и /,;;и /;ги 4- 1... 4= 1...4,А = 1.. Л ).1Фк

- Оранжевый - высокая опасность перехода системы в «критический» режим. Имеет место нехватка мощности в регионе:

- Красный - ситуация может оцениваться как «критическая». Требуется ограничение электроснабжения потребителей, велики риски ущерба от недопоставки электроэнергии.

У/еди/ц.•/-!... 4./- 1...4 С помощью метода диаграмм Вейча была построена карта безопасности системы электроснабжения рассматриваемого региона (рисунок 3). В созданный экспериментальный образец системы отображения диспетчерской и технологической информации были введены вспомогательные элементы, отображающие текущее и прогнозируемые в ближайшем будущем состояния ЭЭС.

1_/И__|

Рисунок 3 - Карта энергетической безопасности Структурная схема программной модели, основанной на описанном алгоритме

приведена на рисунке 4.

§ - текущее состояние ЭЭС' Dfn.ni] - массив карты состоянии ЭЭС; Гц -с : н:Сп-0 - Прогнозируемые состояния ЭЭС.

I.......?..............

Определение текущего состояния ЭЭС с массиве состояний

...................................................... ...................................................

Определение прогнозируемых состояний в ближайшем будущем Ри=0(М,й; РЙ=0(М,|)

Выбор текстур вспомогательных элементов(мнемоники состояний)

( Прорисовка виртуальной сиены '

Рисунок 4 - Структура программной модели использования карт энергетической безопасност и

16

Таким образом, использование описанного выше алгоритма и выбор различных интегральных показателей, характеризующих параметры системы электроснабжения - износ оборудования, ограничение электроснабжения, индекс изменения суммарных выбросов загрязнителей в атмосферу, индекс изменения финансового состояния, - является частичной реализацией третьего уровня СО — возможностью прогнозирования будущих режимов системы и определения путей вывода её из аварийных и предаварийных ситуаций.

В главе предлагается использование событийного моделирования, основанного на использовании аппарата алгебраических сетей, для моделирования процессов принятия решений операторами. Рассмотрено представление моделей элементов ЭЭС в виде алгебраических сетей (А1Ч) - совокупность переменных и связывающих их отношений. На алгебраической сети ставятся задачи вида «зная модель, вычислить выходные переменные по входным». Решение задачи - построение алгоритма вычисления выходных переменных из входных (принятие решения оператором). В главе приведен пример моделирования элементов ЭЭС алгебраическими сетями для решения задачи потокораспределения мощности в послеаварийном режиме ЭЭС. Каждый элемент ЭЭС был представлен алгебраической сетью Тыугу, определяющей основные вычислительные соотношения, и рефлексивной рассуждающей сетью, определяющей логику работы релейной защиты и её состояние.

В приведенном примере, генерирующие энергоообъекты представлялись алгебраической сетью:

■Щ^Н'аХХ,».

заданными множеством объектных переменных:

\У<;,= {Р0ь...Р0)},

где - технологические и режимные параметры генераторов (установленная мощность,

резервная мощность и пр.), и множеством отношений:

К«,={(1):Ро,=/(Рщ,.-.Р<Й-);.....,(п):Рш=/(Ве,.....Во,)},

где Ра~/(Рщ,.....Р«.) - основные соотношения вычисления режимных параметров генератора

(расчет резервной и выдаваемой мощности и пр.). Также, была задана рефлексивная рассуждающая сеть:

описывающая состояние и логику работы релейной защиты энергообъекта {Рсмшт,Рсигз,— Рк,р.зп.....Ри,гыи--Ри,ц]ы- сигналы релейных защит генератора, Йи,гны — результирующее

отношение, определяющее общее состояние релейной защиты). Для объединения описанных алгебраических сетей в общую алгебраическую сеть было введено синхронизирующее отношение Результирующая А1\. описывающая генерирующие энергообьекты,

представлена на рисунке 5.

РвШп

' Рвт

■ \

'Rgî5\ Rgi3j (Rgi4) I Sgî j Rgprn)-«*—®Peip.3.n

n

PGip.3.)

. я'.

P Gip.3.1

Peialarm

R g/6

DGialarm

Рисунок 5 - Алгебраическая сеть генерирующего энергообъекта

При объединении AN/ элементов ЭЭС, путем введения синхронизирующих отношений была получена общая ANîbc Используя полученную алгебраическую сеть, были определены требуемые при рассмотрении различных ситуаций в наблюдаемой ЭЭС вычислительные модели. Для решения рассматриваемой задачи была определена вычислительная модель, содержащая минимальное количество однотипных действий эксперта. Путем упрощения определенной вычислительной модели благ одаря отображению заданных переменных было выявлено, что для решения поставленной задачи необходимо отображение весьма узкого множества режимных параметров. Введение вспомогательных визуализационных элементов, предложенных в работе, способствует уменьшению объема отображаемой информации. Таким образом, использование описанного метода представления контролируемой ЭЭС в виде алгебраических сетей дает возможность решения различных задач по экспертной оценке текущего и прогнозов будущих состояний системы.

В четвертой главе приведено общее описание и демонстрация разработанного экспериментального образца системы отображения дисиетчерско-техноллгической информации. При разработке СОД'ГИ применялись следующие библиотеки и инструментарии:

- графические библиотеки OpenGL;

- инструментарий ОрепЭсепеОгарЬ.

При использовании общедоступных программных инструментариев и специализированных программных модулей был разработан экспериментальный образец системы отображения диспетчерско-технологической информации. На рисунках 6-9 приведены примеры, демонстрирующие виртуальную среду системы.

Рисунок 7 - Отображение виртуальной среды СОДТИ. Однолинейная схема электроустановки с отображением параметров силового трансформатора. Совмещение ситуационной и однолинейной схемы

В заключении приведены преимущества разработанного экспериментального образца системы отображения диспетчерской информации и перспективы развития данной технологии, а также предполагаемое промышленное использование разработанного программного комплекса.

Рисунок 8 - Отображение виртуальной среды СОДТИ. Однолинейная схема электроустановки. Совмещение ситуационной и однолинейной схемы

Разработанный экспериментальный образец системы дает возможность:

1.) совместного отображения ситуационной схемы наблюдаемой ЭЭС, однолинейных схем отдельных энергоузлов;

2.) совместного просмотра распределения электросетей и конструктивного исполнения энергообъектов с их географической привязкой;

3.) выбора степени визуализации ЭЭС по классам напряжения для наглядной оценки степени развития инфраструктуры интересующего оборудования;

4.) информационной интеграции карт безопасности и ситуационной схемы наблюдаемого участка ЭЭС.

Выделены основные преимущества использования систем ВО б данной области:

- увеличение объемов отображаемой информации, которая может быть выведена на стандартные экраны, с учетом графических буквенно-цифровых обозначений;

- увеличение чувства присутствия оператора в пределах окружающей среды;

- помощь в навигации и поиске;

- помощь в решении задач, требующих информационной интеграции;

- разделение целей в глубинах трехмерной сцепы;

- облегчение восприятия точных ментальных моделей управляемых систем.

Рисунок 9 - Отображение виртуальной среды СОДТИ. Совмещение отображения ситуационной схемы ЭЭС и прогнозируемых состояний

В результате проведенных исследований решена научная задача, связанная с разработкой методов, алгоритмов и экспериментального образца программно-аппаратного комплекса, позволяющих обрабатывать и отображать необходимую для оператора информацию с использованием технологии виртуального окружения. Техническая разработка системы получения и обработки информации выполнена на основе существующих технологических решений в данной предметной области. Целесообразность использования положений, разработок и практических рекомендаций при создании имитационно-тренажёрных комплексов по ситуационной оценке состояния наблюдаемой территориально-распределенной системы подтверждена 4 актами внедрения результатов, приведенными в приложениях.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

К основным результатам исследования относятся:

1.) проведен анализ и построена модель процесса принятия решения диспетчерским персоналом при ситуационном анализе состояния ЭЭС. На их основе разработан способ отображения диспетчерской и технологической информации с использованием технологии виртуального окружения, предложены трехмерные виртуальные модели элементов.

2.) определены структура и состав трехмерных моделей виртуальной сцены, их атрибутов и свойств. Разработаны и созданы интегрированные вспомогательные виртуальные объекты для снижения умственной загрузки диспетчерского персонала, а также способы интеграции различных информационных уровней. Предложены алгоритмы по построению карт энергетической безопасности систем электроснабжения регионов для

прогнозирования будущих состояний системы.

3.) разработаны методы и алгоритмы для представления наблюдаемой системы алгебраическими сетями Тыугу и рефлексивными рассуждающими сетями с целью решения задач моделирования процессов принятия решения. Предложены алгоритмы и приемы визуализации отображаемых объектов для снижения умственной загрузки операторов.

4.) создан экспериментальный образец системы визуализации для имитационно-тренажёрных комплексов па основе предложенных в работе методов, алгоритмов и моделей.

Публикации по теме диссертации

В рецензируемых журналах из списка ВАК

1. Брагута, М.В. Использование систем виртуального окружения для визуализации информации в сфере управления электроэнергетическими системами [Текст] / М.В. Брагута, C.B. Клименко // Вестник ИГЭУ. - 2008. -№4. - 52 с.

2. Брагута, М.В. Разработка системы отображения диспетчерско-технологической информации с использованием технологии виртуального окружения [Текст] / М.В. Брахута, E.H. Еремченко, C.B. Клименко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: ИрГУПС.- 2010. - №1(25). — 206 с.

В других изданиях

3. Брагута, М.В. Использование систем виртуального окружения для визуализации систем теплоснабжения [Текст] / М.В. Брагута // Новости теплоснабжения. -2008. - № 4 (92). -51 с.

4. Брагута, М.В. Применение систем виртуального окружения [Текст] / М.В. Брагута, C.B. Клименко // Промышленная и экологическая безопасность — 2009. - №4(30). - 18 с.

5. Брагута, М.В. Система визуализации диспетчерско-технологической информации на основе технологии виртуального окружения [Текст] / М.В. Брагута, C.B. Клименко // Тр. 1-й международной конференции «Трехмерная визуализация научной, технической и социальной реальности. Кластерные технологии моделирования» - 2008. - Том 2. - 26 с.

6. Брагута. М.В. Система отображения диспетчерско-технологической информации с использованием технологии виртуального окружения [Текст] / М.В. Брагута, C.B. Клименко // Тр. 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть IV Молекулярная и биологическая физика. Том 1. - М.:МФТИ, 2009. - 65 с.

Брагута Максим Валерьевич

РАЗРАБОТКА НОВОГО МЕТОДА И СИСТЕМЫ ОТОБРАЖЕНИЯ ДАННЫХ В ЗАДАЧАХ СИТУАЦИОННОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОГО ОКРУЖЕНИЯ

05.13.01 -Системный анализ, управление и обработка информации

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

У сл.пл. -1.5 Заказ № 03505 Тираж: 100 экз.

Кошщеитр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул. Б. Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.chertez.ru