В настоящее время на многих производственных предприятиях, в частности в нефтегазовой промышленности, проводится внедрение новых комплексов автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Это связано с необходимостью повышения управляемости и эффективности производства, его безопасности, в т. ч. экологической, а также моральным устареванием установленных на предприятиях систем автоматизации. При этом характер производства приводит к необходимости создания многоуровневой системы управления, обеспечивающей информационные обмены между производственно связанными локальными пунктами управления, а также объединяющей в центральной диспетчерской всю информацию о состоянии территориально распределенного технологического процесса.
К концу 90-х гг. произошел полный переход от заказных, часто создаваемых «с нуля» программно-аппаратных комплексов автоматизации производства к использованию типовых программных решений и серийных средств телемеханики [20]. В частности, внедрение диспетчерского пункта (ДП) АСУТП требует проведения логического и физического проектирования базы данных (БД), входящей в состав некоторого тиражируемого универсального программного комплекса. Проведенный автором сравнительный анализ систем управления базами данных (СУБД), использующих различные модели данных [8] показал, что наиболее эффективно при автоматизации промышленных предприятий использовать базы данных, совмещающие объектно-ориентированный и иерархический подходы. Программные комплексы ДП АСУТП, использующие именно такие базы данных, широко внедряются в производственных подразделениях ОАО «Газпром» и ряда нефтяных компаний. Однако системы автоматизированного проектирования таких баз данных отсутствуют, современные теоретические работы также затрагивают в основном методологии программирования (предлагая расширения объектно-ориентированного подхода) или развивают реляционную, постреляционную, объектную модели данных.
Анализ работ, в которых рассматривались бы информационные потоки распределенных систем управления, а также вопросы теории проектирования объектно-иерархических баз данных, при их широком практическом применении во многих отраслях промышленности, обосновывает выбор темы диссертации и обуславливает ее актуальность.
Предметом исследования являются информационные потоки, рассматриваемые с двух точек зрения. Во-первых, рассматриваются потоки данных в БД ДП АСУТП, реализующей функции хранения оперативных, нормативно-справочных данных и маршрутизации информационных потоков. Во-вторых, рассматривается распределенная сеть передачи данных (РСПД), объединяющая территориально распределенные диспетчерские пункты, и специфика информационных потоков в ней.
Целью исследования является адаптация современных методов проектирования к области разработки структуры объектно-иерархической базы данных ДП АСУТП, управления внешними и внутренними по отношению к ней информационными потоками, а также исследование методов синтеза топологической структуры и оптимизации параметров сети передачи данных распределенной АСУТП. Исходя из этого, основными задачами исследования являются:
1. Проведение анализа существующих способов хранения оперативных технологических данных в базах данных ДП АСУТП, методов организации логической структуры этих баз данных, средств и языков доступа к данным в объектно-ориентированных базах данных (ООБД).
2. Разработка шаблонов и методики объектно-ориентированного проектирования структур баз данных ДП АСУТП.
3. Применение достижений субъектнои аспектно-ориентированного программирования для автоматизации и управления процессами передачи информации в распределенных системах диспетчерского управления.
4. Исследование и систематизация реализуемых различными протоколами передачи данных алгоритмов информационного обмена.
5. Исследование методов синтеза структуры и оптимизации топологической структуры магистральных сетей передачи данных и их применимости при создании распределенной системы диспетчерского управления, с учетом требований к надежности и вероятностно-временным характеристикам сети.
6. Разработка методик автоматизации проектирования объектно-иерархической БД с учетом правил и ограничений взаимосвязей проектных вариантов предметной области (ПрО) транспорта нефти и газа.
Теоретическая значимость диссертации заключается в выполнении синтеза результатов современных исследований в области методологий программирования и логического проектирования, в частности субъектнои аспектно-ориентированного, и их применении к области автоматизации непрерывных технологических процессов. Проектирование структуры объектно-иерархической базы данных в соответствии с результатами анализа предметной области описано в специальном руководстве разработчика [89], но в нем не рассмотрены информационные потоки и не анализируется возможное повышение эффективности за счет распределения хранимых данных, описывающих различные аспекты технологического процесса и автоматизируемого производства. Данная работа является попыткой применения комплексного подхода при рассмотрении информационных потоков в распределенных системах диспетчерского управления.
В практическом плане ценность диссертации заключается в проработке и апробировании методик формализации структуры объектно-иерархической БДсинтеза и оптимизации структуры сети передачи данных распределенной системы диспетчерского управления, разработке практической методики организации информационного обмена в программных комплексах систем диспетчерского управления.
Основные результаты работы, выносимые на защиту, состоят в следующем:
1. По результатам анализа методов логической организации информации и доступа к ней в базах данных диспетчерских пунктов АСУТП и низовых систем установлено, что наиболее эффективно использование объектно-иерархической модели данных. Такие БД, подобно ООБД, поддерживают иерархию классов, реализуют механизмы наследования, инкапсуляции данных.
Введение
независимой иерархии объектов, где каждый из элементов — специфический экземпляр определенного класса, позволяет отразить результаты анализа предметной области и представить сложную систему — автоматизируемое производство — в канонической форме [10]. Также, в частности, использование подобных БД устраняет логическое несоответствие между информационной моделью и множеством понятий предметной области. В диссертационной работе предлагается использовать как существующие шаблоны анализа [74,75] и проектирования [28,65,76] общего назначения, так и специализированные для систем реального времени [12]. Это множество типовых решений, а также методы рефакторинга программного обеспечения (ПО) [49] составляют базовый набор правил формализации требований к системе и выявления взаимосвязей предметной области в терминах объектной модели.
2. Использование встроенной программной среды подобных СУБД позволяет расширить поведенческую модель объектов-контейнеров операциями обработки состояний их элементов. Также, поскольку объект автоматизации, особенно в нефтегазовой отрасли, энергетике, на транспорте, часто содержит несколько типовых производственных участков, эксплуатационных зон и т. п., возможно тиражирование их информационных моделей в структуре ООБД. При этом проявляется дополнительное преимущество объектно-иерархических БД: возможность использования относительной адресации между ее объектами. В диссертации предложено использовать методы субъектно-ориентированного и аспектно-ориентированного программирования и проектирования, что позволяет упростить структуру классов за счет разделения общей информационной модели предметной области, реализуемой в базе данных ДП АСУТП, на несколько соответствующих различным требованиям пользователей подмоделей, и выделения из классов атрибутов и методов, необходимых для согласованной поддержки какого-либо требования или реализации некоторой функциональности, не связанной с описываемой классом абстракцией, за счет чего достигается лучшее структурирование программного комплекса в целом. Особенно эффективно применение аспектно-ориентированныых методов тогда, когда требуется согласованная поддержка некоторого требования в различных классах (в частности, операции управления информационными потоками и обеспечения целостности данных в ООБД, что, вследствие инкапсуляции данных в раздельных объектах, является более насущной проблемой, чем в реляционных базах данных). В диссертации предлагаются модели выделенных аспектов — сервисных процессов ООСУБД, управляемых событиями изменения состояния объектов БД и обеспечивающих контроль и управление информационными потоками.
3. Исследован характер информационных потоков распределенной АСУТП, зависимость режима поступления информации в РСПД от алгоритма информационного обмена. Рассмотрены составляющие информационного потока и структура пакетов, произведена экспертная вероятностная оценка объема данных, поступающих в РСПД при периодическом опросе изменений и их спонтанной передаче. Для решения задачи синтеза структуры РСПД в работе предложено два эвристических алгоритма, учитывающих специфику направлений информационных потоков в распределенных системах диспетчерского управления предприятий нефтегазового комплекса. Первый из них генерирует начальную структуру сети, исходя из матрицы расстояний между узлами. Второй алгоритм предназначен для итерационной оптимизации полученной структуры с использованием оценок интенсивностей потоков технологических данных в РСПД. Оба алгоритма учитывают ограничение по максимальному количеству транзитных узлов коммутации и требования к обязательному резервированию каналов связи.
4. При разработке базы данных ДП АСУТП в нефтегазовой промышленности, вследствие типизации производственных участков и схожих характеристик производственного оборудования различных производителей, целесообразно применение методов комбинаторного синтеза. При этом проектирование информационных потоков и их реализация в отношениях как между объектами БД, так и между БД и внешними системами является трудоемким и требующим автоматизации процессом. Разработаны группы проектных вариантов (ПВ) для каждого из этапов комбинаторного синтезатакже рассмотрено использование ПВ операций над данными. Предложены методы записи правил и ограничений связывания ПВ' и групп сигналов ввода/вывода, которые могут применяться проектировщиками БД ДП АСУТП на этапе структурно-параметрического синтеза.
Новизна исследования заключается в следующем. Во-первых, впервые в российской практике разработки баз данных диспетчерских пунктов были адаптированы и применены методы аспектно-ориентированного программирования для управления информационными потоками и обеспечения целостности данных, что позволило повысить эффективность организации информационного и программного обеспечения ДП АСУТП. Во-вторых, для выполнения задачи комбинаторного синтеза структуры БД ДП АСУТП были разработаны не только проектные варианты сущностей БД, но и проектные варианты операций над даннымитакже были введены правила их комбинирования. В-третьих, был предложен оригинальный эвристический алгоритм оптимизации начальной структуры РСПД, учитывающий требования по обязательному резервированию каналов связи.
Комплексное рассмотрение процессов передачи информации между распределенными ДП АСУТП, между программными подсистемами одного ДП и между объектами внутри БД ДП позволило выявить универсальность известных алгоритмов взаимодействия клиента и сервера в протоколах передачи данных и предложить эффективную программную реализацию этих алгоритмов для взаимодействия субъектов объектно-иерархических баз данных ДП АСУТП.
Выводы по главе 4.
Экспериментальная проверка предложенных методик (и проведение анализа ПрО, по результатам которого была разработана иерархия классов, приведенная в Приложении 1) проведены при создании распределенной системы диспетчерского управления (СДУ) ООО «Волгоградтрансгаз», входящего в структуру ОАО «Газпром» и эксплуатирующего магистральные газопроводы, входящие в единую систему газоснабжения РФ.
СДУ ООО «Волгоградтрансгаз» состоит из центрального ДП (с выделенными коммуникационной системой и подсистемой отображения) и 10-ти локальных ДП уровня ЛПУМГ. Объем хранимых данных локального ДП и ЦДП показан в табл. 7, 8. Исходя из этих данных, можно оценить количество информационных связей объектов БД, нуждающихся в настройке, с разбивкой по типам источников данных (см. табл. 9).
Табл. 7. Объем данных (сигналов) локального ДП.
Субъект Кол-во сигналов.
1 Диспетчерский контроль и управление 1500−8000.
2 Эксплуатация технологического оборудования 500−1000.
3 Эксплуатация оборудования сбора и передачи данных 500−1000.
4 Коммерческий учет газа 100−200.
Табл. 8. Объем данных (сигналов) ЦЦП.
Субъект Кол-во сигналов.
1 Диспетчерский контроль и управление 20 000−120 000.
Табл. 9. Количество информационных связей локального ДП.
Тип информационной связи Кол-во.
1 Связи с источниками данных 1200−6000.
2 Связи между объектами БД 2000;10 000.
Использование программных средств автоматизации проектирования приводит к радикальному снижению трудозатрат на создание объектов БД, установление информационных связей между ними. При этом до 60% экономии достигается за счет отсутствия необходимости индивидуального тестирования каждой из установленных связей.
Помимо этого, объектно-ориентированный подход к управлению информации о списках сигналов позволяет также гарантировать расширяемость (добавление новых источников данных и субъектов БД), выпуск документации, возможность быстрого изменения конфигурации существующей системы без проведения трудоемкого этапа обратного проектирования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Анализ принципов организации передачи данных в распределенных системах диспетчерского контроля и управления непрерывными технологическими процессами, проведенный с точек зрения как сетевого взаимодействия двух систем, так и межпрограммного взаимодействия, позволяет сформулировать положения, составляющие концептуальные основы «сквозного» проектирования информационных потоков в АСУТП:
1. Основной задачей передачи данных в АСУТП является своевременное обновление информационной модели ТП, с которой взаимодействует оператор, и передача команд управления. Для создания таких информационных моделей наиболее эффективно использование объектно-иерархических СУБД.
2. Используется три вида алгоритмов взаимодействия «клиент-сервер»: периодический полный опрос клиентом базы данных серверапериодический опрос клиентом измененийспонтанная передача изменений сервером. Отличительная особенность всех этих способов — двухточечная коммутация, что не исключает использования общей шины передачи данных.
3. При проектировании структуры баз данных диспетчерских пунктов необходимо учитывать структуру пространства имен источников данных, в качестве которых могут выступать как контроллеры системы телемеханики (в этом случае пространство имен определяется используемым протоколом передачи данных), так и локальные ДП при подключении к центральному ДП. В этом случае использование однотипной модели данных позволяет создавать структуру БД ЦДП методом композиции подмножеств БД локальных ДП.
4. Для управления информационными потоками необходимы программная реализация в СУБД ДП АСУТП информационно-управляющих компонент, а также поддержка перехвата событий как отдельных объектов, так и их групп. В этом случае перспективные методы аспектно-ориентированной разработки программного обеспечения могут быть перенесены и использованы при разработке ДП АСУТП.
5. Процесс создания сети передачи данных распределенной системы диспетчерского управления должен включать этап оценки ожидаемой интенсивности передачи данных в каждом канале связи, в свою очередь, зависящий от выбранного алгоритма передачи данных. Необходимость дублирования каналов связи и ограничения по максимальному числу транзитных узлов коммутации, возникающие при разработке систем производственного управления, повышают стоимость сети и тем более требуют применения алгоритмов оптимизации ее топологической структуры.
6. Методики автоматизированного проектирования должны учитывать необходимость создания нескольких частных информационных моделей производства (технологического процесса) в единой БД.
Введение
семантической нагрузки групп данных уровней объектно-иерархической БД является первым необходимым условием для реализации декларативного языка запросов.
Результаты проведенных исследований используются на предприятиях нефтяной и газовой промышленности, а также в учебном процессе, что подтверждается актами о внедрении.
