Распределенное управление. 
Интеллектуальные системы и технологии

Технология MAC позволяет создавать распределенные системы управления, которые повышают эффективность крупных объектов промышленного, военного, экономического назначения.

Общая проблема распределенного управления состоит в том, чтобы определить, как декомпозировать общую задачу управления на относительно независимые подзадачи и агрегатировать отдельные контроллеры, решающие подзадачи, в систему, работающую с единой целью. Локальные проблемы включают детектирование текущего режима установки с последующей активизацией нужного контроллера и настройкой его на соответствующий цикл управления.

Распределенные системы контроллеров обычно имеют центральный супервизор, решающий перечисленные локальные и не локальные проблемы. При этом сложность логики переключения контроллеров растет с ростом числа контроллеров экспоненциально. Кроме того, добавление или удаление контроллеров в системе требует модификации супервизора.

Технология MAC позволяет создавать эффективные распределенные системы управления, которые можно условно назвать многоагентными системами контроллеров. Такие системы строятся с использованием множества автономных агентов-контроллеров, координированно управляющих устройствами. Применение технологии MAC решает проблемы распределенного управления децентрализованно без специального координирующего супервизора.

Агент-контроллер — агент, способный решать выделенную ему подзадачу управления отдельным устройством установки в рамках системы управления всей установкой, самостоятельно, но с учетом текущих и возможных действий других агентов-контроллеров.

Многоагентная система контроллеров — система автономных агентовконтроллеров, решающих общую задачу управления устройствами установки распределенным образом за счет взаимной координации взаимодействующих агентов-контроллеров. По сложности управления могут быть выделены реактивные и планирующие агенты-контроллеры.

Один из вариантов системы распределенного управления, объединяющей в иерархию несколько групп агентов-контроллеров, представлен на рис. 22.2.

Рис. 22.2. Структура многоагентной системы контроллеров.

Нижний уровень.

Пример распределенного управления транспортировкой нефтепродуктов

Трубопроводные комплексы транспортировки нефтепродуктов имеют сложные многоуровневые средства управления, включающие автоматизированные системы управления (АСУ) на верхних уровнях и автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУТП) на нижних уровнях [9].

Технологический процесс (ТП) транспортировки нефти является управляемым физическим процессом перекачки нефти по системе трубопроводов с использованием насосных перекачивающих станций (НПС) для обеспечения заданного объема перекачиваемого продукта и поднятия давления в трубопроводе, упавшего после прохождения определенного участка трубы, и задвижек для регулирования перекачиваемого потока продукта.

В типовом варианте комплекс транспортировки нефти по трубопроводам представляет собой многоуровневую систему. Нижний уровень комплекса включает ряд НПС, которые управляются операторами через АСУТП, обеспечивающими локальное регулироваиие давления нефти на выходах НПС, сброс волны давления при включении и выключении отдельных насосов, подачи масла в насосы, откачки утечек и др. Средний уровень включает диспетчерские пункты, собирающие телеметрическую информацию по своим участкам (несколько НПС между резервуарными парками), осуществляющие планирование и мониторинг (функции диспетчера) технологических процессов на своих участках трубопроводной системы. При этом диспетчеры организуют текущее управление НПС участков через операторов НПС. Планирование и управление осуществляется в соответствии с разработанной для этих участков технологией перекачки нефти, текущим планом на ее перекачку и текущими ситуациями, возникающими в процессе перекачки. Верхний уровень включает центральный диспетчерский пульт с автоматизированными местами диспетчеров, которые планируют и реализуют технологический процесс перекачки нефти по всей системе, состоящей из ряда участков.

Недостатками такой системы являются: жесткая централизация управления; человеческий фактор, который приводит к возможности ошибочных решений операторов и диспетчеров; отсутствие интегрированной оптимизации ТП, что приводит к неонтимальпому расходованию ресурсов; недостаточные адаптационные возможности системы, что затрудняет оперативное изменение плана перекачки; недостаточная глубина диагностики и прогнозирования ресурса оборудования, что приводит к непрогнозируемым отказам оборудования и несвоевременному обнаружению утечек нефти на участках трубопровода.

Эти недостатки могут быть устранены применением многоагентной технологии управления сложными объектами. MAC управления участком транспортировки нефти по трубопроводам может быть построена на основе типового варианта с добавлением программных компонентов, реализующих систему агентов диспетчерского и исполнительного уровней (рис. 22.3).

Управление региональным участком соответствует среднему уровню MAC управления перекачкой нефти. Диспетчер каждого участка получает рекомендации от центрального диспетчерского пункта верхнего уровня MAC управления перекачкой нефти. Интеллектуальные агенты-диспетчеры участков реализуют поддержку принятия решений диспетчеров участков.

На нижнем уровне функционируют агенты-операторы, поддерживающие принятие решений операторов НПС. Каждый такой агент имеет в подчинении набор контроллеров исполнительного уровня АСУТП своей НПС и использует информацию ее локальной системы телеметрии. Исполнительный уровень может иметь типовую структуру и включать набор регуляторов (давления, сброса волны, уровня масла, степени вентиляции и утечек нефти), а также набор средств защиты станции.

Основной принцип организации MAC управления транспортировкой нефти — максимальная автономность средств управления на уровне НПС. При этом функции операторов реализуются в агентах-операторах НПС. Каждый из этих агентов должен функционировать в системе управления участком «трубы» между двумя резервуарными парками, объединяющей агентов-операторов всех НПС участка. Их согласованная работа позволит обеспечить технологически правильное функционирование участка системы перекачки с использованием всех его НПС. Все агенты-операторы реализуют кооперативное управление принятием решений по изменению работы каждого НПС участка, например по контрактному протоколу. Кооперативное управление позволяет реализовать технологически правильную работу всей системы перекачки продукта с учетом уровня нагруженности каждой НПС, стоимости перекачки для НПС при изменении ее нагрузки и приоритетного положения ведущей станции. Сами операторы НПС выполняют функции контроля и, при необходимости, супсрвизорного управления на своих НПС. Агенты-диспетчеры на среднем и верхнем уровнях MAC управления могут выполнять только контролирующие и диагностирующие функции. Их работа контролируется диспетчерами региональных и центрального диспетчерских пунктов, которые при необходимости могут корректировать работу агентов-диспетчеров участков в супервизорном режиме.

Рис. 223. Многоагентная система управления участком.

со Агенты-операторы НПС (нижний уровень) и агенты-диспетчеры участков (средний уровень) MAC управления транспортировки нефти имеют разные структуры и функции.

Агент-оператор НПС имеет следующие функции.

• • задает уставки для контроллеров исполнительного уровня, исходя из командной информации от агентов верхних уровней;
• • принимает и обрабатывает телеметрию по HI 1C (давление, расход, температуру, вязкость, положение заслонок и задвижек и др.) и формирует на ее основе модель НПС;
• • принимает и обрабатывает сообщения от других агентов-операторов НПС участка и формирует следящую модель участка;
• • прогнозирует ситуацию на управляемой НПС, исходя из прогнозирующей модели участка и модели НПС;
• • передает сообщение о текущей и прогнозируемой ситуациях другим агентамоператорам НПС своего участка;
• • реализует протокол согласования решений агентов-операторов для оптимизации процесса перекачки нефти;
• • вырабатывает и предлагает оператору действия в текущей ситуации, согласованные с другими операторами и учитывающие прогноз;
• • следит за утечками нефти на своем участке с использованием следящей модели участка и модели IIПС;
• • оценивает надежность и остаточный ресурс технологического оборудования на НПС с использованием специальной модели и диагностического алгоритма.

Агент-диспетчер участка имеет следующие функции.

• • принимает план перекачки нефти от агента-диспетчера центрального пункта (верхнего уровня) и формирует последовательность указаний для агентов-операторов НПС участка;
• • принимает и обрабатывает сообщения от агентов-операторов НПС участка и агентов-диспетчеров соседних участков;
• • формирует следящую модель соседних участков на основе моделей участков данного уровня системы, используемых агентами-операторами;
• • прогнозирует ситуации на участке, исходя из прогнозирующей модели нескольких участков;
• • информирует агента-диспетчера верхнего уровня о своих действиях (предполагаемых и совершаемых);
• • следит за утечками нефти на участке, используя информацию от агентов-операторов;
• • корректирует план перекачки нефти и согласует его с агентами-диспетчерами соседних участков;
• • ведет диагностику технологического оборудования в пределах участка, используя диагностическую информацию от агентов-операторов;
• • оценивает надежность технологического оборудования участка по информации от агентов-операторов и реализует план регламентных работ.

Главные моменты многоагентной технологии на исполнительном уровне — декомпозиция функций и координация реализующих их агентов-контроллеров (АК). Каждый агент-контроллер имеет модуль активности и набор алгоритмов управления своим объектом в соответствии с выделенной при декомпозиции функции (или набора функций). Могут быть выделены АК давления, ЛК сброса волны, АК вспомогательных функций, АК защиты станции. АК давления реализует функции ПИД-рсгулятора (пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора) в стационарном режиме заданной уставки по давлению в трубе, изменения уставок по давлению, ограничений при регулировании давления. АК сброса волны реализует регулирование уровня наброса и сброса давления с помощью управления заслонками в районе НПС при включении и выключении насосов. АК вспомогательных функций регулирует уровень масла, вентиляцию и утечки в насосах станции, ЛК защиты реализует ряд функций блокировки и переключений режимов для обеспечения безопасной работы или остановки насосов станции. Все АК объединяются в MAC контроллеров НПС, которая подчинена агенту-оператору НПС. Координация АК реализуется либо специальным агентом-контроллером координации, либо специальным алгоритмом приоритетной координации при взаимодействии системы АК через их модули активности, связанные коммуникационным каналом.

Режим коллективного управления реализуется, когда имеет место общее задание от диспетчера на коллективную перекачку нефти на участке или когда агент-оператор сам принимает решение о переходе на коллективный режим управления. При этом агент-оператор выполняет полный объем задач, главными из которых являются: прогнозирование параметров НПС и ситуаций ТП на участке, выдача их в канат передачи в виде сообщений, а также оптимизация ТП по установленным диспетчером показателям.

Процедура коллективного управления представлена схемой рис. 22.4. Процедура построена на основе контрактного сетевого протокола взаимодействия агентов-операторов соседних НПС участка. Этот протокол предполагает, что любой агент-оператор может быть менеджером, предлагающим другим агентам некоторые частные задания, или контрактором, который пытается предложить себя для выполнения определенного задания из числа предлагаемых и выполняет его, если получает разрешение от менеджера. При организации работы по такому протоколу должны быть четко определены общая цель коллектива, правила выбора позиции агента (агент может стать менеджером или контрактором), установлены условные цены на выполнение частных заданий агентами-контракторами.

Рис. 22.4. Управление принятием решений.

В представленной процедуре коллективного управления работа агентов-операторов организована следующим образом.

Общая цель работы коллектива агентов-операторов участка определена как поддержание заданного расхода Q_VtljV определяющего объем перекачиваемой нефти в течение заданного времени. Расход обычно контролируется на выходе участка трубопровода, поэтому ведущим при поддержании заданного расхода можно считать агентаоператора нижнепотоковой НПС. Однако расход должен обеспечиваться всеми НПС участка, которые желательно загрузить равномерно. Для регулирования загрузки при обеспечении заданного расхода можно использовать контрактный протокол взаимодействия агентов в процессе работы.

Перечислим показатели агентов, определяющие их текущее состояние.

Нагрузка (L — Load), определяемая перепадом (приростом) давления нефти в трубопроводе, формируемым НПС, который может быть: нулевым (все насосы НПС выключены); минимальным (включен 1 насос); нормальным (включены 2 насоса); максимальным (включены 3 насоса), т. е. L = {zero, min, norm, max}.

Относительная стоимость (С — Cost) выполнения действий агентом. Ценовая шкала выполнения частных заданий на изменение перепада давлений на НПС может быть такая: С = {zero_min, min_zero, min_norm, norm_min, norm_max, max_norm}. Каждый составной терм в этой последовательности определяет условную цену изменения перепада давления. Например, zero_min определяет цену перехода из состояния НПС, когда все насосы выключены, к состоянию, когда включен один насос из трех основных.

Приоритет агента (Р — Priority) при выполнении задания определяется положением управляемой им НПС в системе НПС участка. Если участок включает т НПС, наивысший приоритет устанавливается для нижнепотоковой НПС с номером т, т. е. Р = {Pm, …, Р1}.

Убеждение агента (В — Belief) включает информацию, которую он имеет и осознает (она ему понятна) в текущем состоянии. Сюда может входить частное задание на установление и поддержание перепада давления (dP) для данной НПС, предложение от агента-менеджера (propofm), условная цена от агента-контрактора (cost_ of_c) и выбранные параметры состояния агента (data), т. е. В = {dP, prop_of_m, cost_of_c, data}.

Желание агента (D — Desire) определяется его предложениями как контрактора («могу включиться — on, выключиться — off, увеличить перепад — up, уменьшить перепад — down») в ответ на предложение агента-менеджера, т. е. D = {on, off, up, down}.

Намерение агента (/ — Intention) выполнять регулирование расхода самостоятельно (self), стать менеджером (manager) или контрактором (contractor) определяет режим его работы в следующем такте процесса, т. е. I = {self, manager, contractor}.

Сообщения, формируемые агентами для других агентов (М — Message). Имеют следующий формат: м = {В, L, С, I, D}.

Правила выбора позиции агента соответствуют его намерениям и определяются следующим образом:

• Менеджер'.

Если В = data, L = zero, D = on; Если В = data, L = min, D = up; Если В = data, L = norm, P = biggest;

• Контрактор'.

Если В = prop_of_m, L = min, C = min_norm, D = up;

Если В = prop_of_m, L = max, C = max_norm, D = down;

• Самотоятелышя работа'.

Если В = dp.

Алгоритм, организующий работу агента-оператора в коллективе агентов, имеет первым блоком ввод данных телеметрии по НПС и сообщений от агента-диспетчера участка, а также от агентов-операторов других НПС участка. Далее агент анализирует полученную информацию и, используя правила выбора позиции, формирует намерение работать самостоятельно, стать менеджером или контрактором.

В случае выбора режима самостоятельной работы агент независимо от других устанавливает требуемый перепад давления путем включения соответствующего числа насосов и контролирует установленный параметр с выдачей в канал периодических сообщений о своем состоянии.

В случае выбора режима контрактора агент контролирует свою нагрузку и желание и, при совпадении последнего с предложением агента-менеджера, определяет стоимость нужного в текущей ситуации изменения перепада давления и выводит сообщение с предложением цены для агента-менеджера. Далее он проверяет ответное сообщение и, если есть разрешение от менеджера, выполняет действие по изменению (желаемому) нагрузки, сказав об этом в очередном сообщении.

В случае выбора режима менеджера агент контролирует свое убеждение, нагрузку, желание и на основании этих параметров формирует и выдаст в канал предложение о действии, которое могли бы выполнить другие агенты-операторы. Далее он получает и анализирует предложения цены от заинтересованных агентов, выбирает агента, который предложил минимальную цену, и разрешает ему действие. После получения подтверждения о выполнении заказанного действия агент уходит с позиции менеджера, подтверждая это в очередном сообщении, и продолжает контроль над процессом перекачки нефти на своем участке.