Технические науки/автоматизированные системы управления на производстве

К.т.н. Мерзадинова Г.Т.

Евразийский университет им. Л. Н. Гумилева, Астана,

Республика Казахстан

Об одном подходе к построению информационно- управляющей системы учета электроэнергии на подвижном

железнодорожном транспорте

Интегрированная система диспетчеризации, автоматизирующая технологию коммутации, обработки, приема – передач сигналов и информации на железной дороге становится той универсальной средой, которая должна стать способной обслуживать произвольный трафик, порождаемый любым приложением. Если учесть, что, с одной стороны, в настоящее время на железнодорожных магистралях в информационно- измерительных цепях, на трактах передачи сигналов и данных используются различные средства и способы, и, с другой стороны, на рынке современных технологий предлагается достаточно широкий ассортимент технических, программных решений, то становится очевидным масштаб задач по оптимальному выбору тех или иных решений. Поэтому применение концепций и технологии конвергенции различных телекоммуникационных сред и формирование универсальной информационно- телекоммуникационной инфраструктуры является одной из актуальных задач современных корпоративных систем. При этом в качестве одним из важных требований является формирование однородного корпоративного информационного пространства, в том числе многофилиальной территориально распределенной структуры со сложной регламентацией доступа к информационным ресурсам, многоуровневой политикой информационной безопасности с иерархией полномочий администраторов и разнородными требованиями по гарантиям непрерывности деятельности различных подразделений. При удовлетворении данного требования может быть охвачена также задача совершенствования информационно - телекоммуникационной платформы компании, максимально адаптированной к многообразным приложениям различных подразделений, а также способной интегрироваться с другими информационно- техническими системами. При проектировании информационно-управляющих систем для тягового подвижного состава непременно должно учитываться множество технико- эксплуатационных факторов, как например, точность измерения электрических параметров электровозов и, прежде всего, действующих значений фазных токов и напряжений, активной и реактивной мощности и энергии. В настоящее время для их измерения, как правило, используются промежуточные преобразователи, нормализующие сигналы переменного тока и напряжения в пропорциональные им сигналы постоянного тока.

Основу подхода к построению информационно- управляющей системы (ИУС) технологических процессов составляет реализация возможности представления всей совокупности решаемых задач с позиций теории иерархических систем на всех этапах принятия системных, аппаратно- программных решений и их комплексной оценки.

Комплекс особо значимых задач, решаемых при создании ИУС, на примере диспетчеризации, автоматизирующей обработку, приемо – передач сигналов и информации с основной целью учета потребляемой электроэнергии подвижного железнодорожного состава представлен в виде иерархической структуры (рис. 1).

Используя терминологию теории систем, систему можно представить как отношение на декартовом произведении следующих множеств:

Пр — множество решений задачи разработки ИУС учета потребляемой электроэнергии подвижного железнодорожного состава;

M_v, M_m, М_и — множества сигналов для процесса проектирования в задачах полевого уровня (выбор устройств с соответствующими технико- эксплуатационных характеристиками, решений по созданию первичных информационно- измерительных средств и контуров, наличие интегрированных высоко

технологичных интерфейсов, совместимость по вход/ выходным сигналам, параллельные/ последовательные порты, точность, возможность автоматической автономной/ удаленной диагностики, отказоустойчивость и т.д.);

D_v, D_m, D_u, W_v, W_m, W_u, P_v, P_m, P_u - множества информационно- управляющих сигналов о решении локальных задач, например, выбор технологических процедур и средств по обработке и передаче, программно- аппаратное сопряжение (параметры и протоколы каналов связи, способы, режимы приема- передач, помехоустойчивость, проверка достоверности передаваемых/ принимаемых данных и их коррекция, способность восстановления и т.д., значения критериев локальных задач оптимизации и др.;

Г_v, Т_т, Г_и, L_v, L_m, L_u — множества координирующих сигналов для локальных задач нижестоящих уровней, например, системные, режимные информационно- управляющие параметры (трафик, правила упорядочения устройств передачи/приема, длина и интервал пакетов обмена, уровни прерывании и назначение приоритетов задач, определение уровней доступа, критерий легитимности и т.д.), операторские интерфейсы. и др.

Наличие множеств различных критериев оптимальности при принятии решений этих задач привело к необходимости использования методов многокритериальной оптимизации. При этом в каждом конкретном случае решаются проблемы выбора: альтернативных вариантов; методов решения задачи с учетом оценки вариантов по всем рассматриваемым критериям; принципа нормализации, приводящего все критерии к единому масштабу измерения и позволяющего проводить их сопоставления; принципа учета приоритета, позволяющего отдавать предпочтение более важным, по оценкам технологического персонала, критериям.

В формализованном виде задача проектирования ТП ПТС заключается в поиске минимума целевой функции F(w)

(1)

при выполнении следующих ограничении:

- детерминированных ограничений на выходные переменные

(2)

- функциональных ограничений

; (3)

- ограничений на значения показателей технологических процессов производственных технических систем

(4)

операторов, описывающих математические модели принятия решения при проектировании ИУС

(5)

Здесь Wi*, сj* , Wi** , Сj** - соответственно минимальные и максимальные значения в ограничениях (2) и (3); f j (°) — некоторые функции от W1,

w₂, ..., w_n , заданные в явном виде; F^v(w), F^l(w), F^v,lim , F ^{t, lim} - соответственно значения показателей технологических процессов измерения, обработки, преобразования (аппаратная, программная и методическая погрешности, весовые коэффициенты доверия оценок и т. п.) и их заданные значения; К₁, К₂ — соответственно число показателей, для которых задается условие (4); - функциональный оператор; A_lm — множество данных; K₃ — число функциональных операторов; р - число множеств данных.

Задача (1)—(5) относится к классу задач дискретного программирования. Ввиду высокой размерности задачи и традиций организации труда для многих классов ИУС, в том числе и учета и контроля электроэнергии, она, в соответствии с разработанной структурной схемой, разбивается на ряд подзадач меньшей размерности.

Обобщенный критерий F(w) можно записать как

(6)

где p1, ..., р_k0 — весовые коэффициенты,

(7)

- взвешенные потери по i-му критерию;

- монотонные функции преобразующие каждую функцию цели безмерному виду

где и – соответственно наибольшее значение минимизируемых

и наименьшее значение максимизируемых функций F^k(w), на множестве допустимых альтернатив W;- оптимальное значение функции цели . Значения лежат в пределах от 0 до 1.

Для выбора единственного решения в задаче принятия сложного решения требуется задать весовые коэффициенты Pi,Удовлетворяющие соотношению (7) и отражающие относительную важность функции цели …,,. Наиболее эффективными подходами к определению этого предпочтения являются методы ранжирования и приписывания баллов[1].

Для формализованного описания информационных массивов данных, необходимых для решения описанных выше задач, создана структурированная база данных. Структура данных области исследования отображаются информационно-логической моделью технологического процесса рассматриваемого класса и представляет собой объединение множеств данных, локальных моделей стадий ТП и связи между ними. Она представлена следующим кортежем:

(8)

где М_п - оператор информационно-логической модели; множество локальных моделей; — множество данных информационно-логической модели; — множество правил модели М_п.

Каждая локальная модель, в свою очередь, описывается кортежем аналогичной формы. Локальная модель нижнего уровня включает в себя множества данных и связей между ними в виде правил:

(9)

где — множество правил модели ,

В свою очередь, правила, входящие в информационно-логической моделью, построены по типу: если ... (условия выполняются), то ... (реализация следствия), и в формализованном виде описываются следующим образом:

где if— обозначение условия "если", then – обозначение следствия “то”

A_i A_i { =, >, ≥, <, ≤ }, – арифметический оператор ИЛМ; -логический оператор информационно-логической модели, ,- соответственно входные и выходные данные – множество значений входных данных – значение для выходных данных – число условий.

В тех случаях, когда множество вариантов решений не превышает 10⁴, учитывая быстродействие современных ПЭВМ, искомое решение можно находить методом полного перебора вариантов. При более высокой размерности задач предлагается процедурная модель, общая схема реализации которой основана на последовательном анализе и отсеивании части элементов, составляющих вариант решения, путем исключения бесперспективных, как по ограничениям, так и по целевой функции. Исходя из специфики проектирования ТП для данного класса производственных систем, все выходные переменные должны быть, разбиты на три категории. К первой категории относятся выходные переменные, для которых при формировании множества вариантов решения используются все их возможные значения. Вторая категория объединяет выходные переменные, для которых при формировании множества вариантов решения используются только те значения, которые попадают в окрестность "оптимистичных" значений локального критерия. Данная окрестность определяется следующим правилом: где r — коэффициент задаваемый лицом, принимающим решение, для формирования окрестности "оптимистичных" значений локального критерия F; F^h — значение критерия для h-го варианта формирования значений выходных переменных; Н — множество их допустимых значений. В третью категорию попадают наименее значимые выходные переменные, для которых при формировании множества вариантов решения используется лишь одно значение выходной переменной. При проектировании ТП деление на категории осуществляется лицом, принимающим решение в процессе формирования множества вариантов решения задачи.

Заключение

На базе системного анализа, методов математического моделирования и теории оптимального управления развит подход к построению автоматизированной информационной системы поддержки принятия решений для класса технических систем, для создания которых могут быть использованы различные способы и приемы конфигурирования, измерения, преобразования, обработки и передачи информации. Этот подход увеличивает уровень интеллектуализации обработки информации в данной области, позволяет при реализации основных этапов проектирования ИУС рассмотреть каждый вариант решения задачи с технологических, системотехнических позиций, осуществить комплексную оценку всех вариантов при принятии решений.

Литература

1. Михалевич В.С., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования. М.:Наука,1982. 288 с.