Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ методов и моделей управления газотранспортной системой 10
1.1. Характеристика технологических процессов транспорта газа 11
1.2. Диспетчерское управление объектами транспорта газа 15
1.3. Свойства технологических объектов транспорта газа 28
1.4. Многокритериальная оптимизация и процедуры принятия решений по управлению ГТС 36
1.5. Расчетная модель стационарного режима газовых поотоков 42
1.6. Анализ принципов создания систем поддержки принятия решений 45
Выводы по главе 1 46
2. Формализованное процессное представление компонентов газотранспортной системы 48
2.1. Разработка формализованного мультиграфового представления газотранспортной системы 48
2.2. Формирование процессного описания поведения динамической модели газотранспортной системы 54
2.2.1. Действия над процессами 54
2.2.2. Формальное определение процесса 56
2.2.3. Понятие трассы процесса 58
2.2.4. Замена состояний процесса 59
2.3. Процессное описание моделей компонентов газотранспортной системы
2.3.1. Модель изотермического движения газа 60
2.3.2. Расчетная модель квазистационарного режима 61
2.4. Операции над процессами компонентов ГТС 63
Операции на процессах с СО 65
Преобразование процессов с передачей сообщений в процессы с СО 66
2.5. Агрегирование моделей технологических процессов транспорта газа .70
Выводы по главе 2 78
3. Разработка дискретно-непрерывной модели управления газотранспортной системой на основе гибридной автоматной схемы 80
3.1. Обобщенный гибридный автомат мультиграфовой модели 80
3.1.1. Гибридное время 83
3.1.2. Правила интерпретации протяжки времени гибридного автомата 85
3.1.3. Принцип синхронной композиции гибридных автоматов 87
3.1.4. Правила интерпретации синхронного параллельного гибридного автомата 89
3.2. Объекты формирования управляющих воздействий 92
3.2.1. Моделирование ГПА и компрессорных станций 92
3.2.2. Моделирование газораспределительных станций 97
3.2.3. Моделирование подземных хранилищ газа 100
3.3. Задача управления потоками в газотранспортной системе 100
3.3.1. Формализованное представление управляемой сети 101
3.3.2. Пример расчета вектора управления 105
3.3.3. Постановка задачи выбора управляющих воздействий для перераспределения потоков 108
Выводы по главе 3 110
4. Программная реализация дискретно-непрерывной модели управления газотранспортной системой 112
4.1. Программные аспекты моделирования и создания систем поддержки принятия решений управления ГТС 113
4.2. Алгоритмическая структура гибридного дискретно-событийного моделирующего алгоритма 120
4.3. Практическая реализация результатов работы для газотранспортного предприятия и в учебном процессе 122
4.3.1. Гибридное моделирование в системах поддержки принятия диспетчерских решений 122
4.3.2. Интегрированная среда моделирования в тренажерных комплексах и
Выводы по главе 4 134
Заключение 135
Литература 136
Приложение. Документы о внедрении и использовании результатов работы
- Характеристика технологических процессов транспорта газа
- Разработка формализованного мультиграфового представления газотранспортной системы
- Обобщенный гибридный автомат мультиграфовой модели
- Программные аспекты моделирования и создания систем поддержки принятия решений управления ГТС
Введение к работе
Наиболее актуальными проблемами диспетчерской службы газотранспортного предприятия являются задачи обеспечения безопасной эксплуатации и улучшение управления процессами транспорта газа. Для решения данных задач разрабатываются и внедряются системы диспетчерского управления и системы автоматизации, включая системы телемеханики. Системы телемеханики обеспечивают удаленный контроль за территориально-распределенными объектами, информационную поддержку работы диспетчера, обеспечивают ретрансляцию на исполнительные устройства поданных диспетчером команд телеуправления или телерегулирования. В штатном режиме работы объектов данные, полученные телемеханикой, являются основой для анализа режима работы технологических объектов и принятия решений по его оптимизации. В аварийных ситуациях данные, контролируемые телемеханикой, позволяют диагностировать разрывы трубопроводов и другие аварийные ситуации, определять место аварии и осуществлять локализацию (отключение) аварийного участка.
Однако при использовании «традиционной» системы телемеханики и диспетчерского управления задачу анализа ситуации и принятия решений решает человек-диспетчер. В условиях необходимости принятия ответственных решений в ограниченные сроки (особенно при локализации аварий) и на основе анализа многокритериальных данных нагрузка на диспетчера существенно возрастает. Задача принятия решений усложняется при необходимости анализа технологического объекта сложной структур, например, закольцованной трубопроводной системы перемычками и различными вариантами потоков газа.
Задачами систем поддержки принятия решений (СППР) являются: помощь диспетчеру в анализе текущего режима работы объекта, автоматизация идентификации аварийных ситуаций и выдача диспетчеру рекомендаций по их локализации и устранению при максимальном сохранении работоспособности газотранспортной системы или другого технологического объекта в целом. Поставленные задачи решаются СППР за счет первичной автоматической обработки данных, поступающих от систем телемеханики и других систем, проведения расчетов и моделирования режимов работы объекта, а также применения компонентов экспертной системы в виде правил с описанием возможных ситуаций в системе с соответствующими рекомендациями диспетчеру.
Исходя из вышесказанного, особую роль приобретает автоматизация информационной поддержки принятия решений в области управления газопроводами и другими распределенными объектами. Системы, решающие подобные задачи, не должны быть запрограммированы жестко, раз и навсегда - они должны динамично развиваться, адаптироваться к новым, изменяющимся условиям, гибко и оперативно перестраивать алгоритмы функционирования. Фактически речь идёт о реализации элементов искусственного интеллекта в диспетчерском управлении, что и определяет актуальность темы диссертации.
Целью работы является повышение эффективности управления технологическими процессами транспорта газа за счет разработки методов и моделей газотранспортной системы интегрированных в систему поддержки принятия решений. Для решения указанной цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи:
• системный анализ методов и моделей управления газотранспортной системой с учетом специфики технологических процессов;
• исследование моделей компонентов газотранспортной системы и параметрическое описание их взаимосвязи;
• разработка процессно-ориентированного подхода к формализованному представлению технологических процессов транспорта газа; • разработка дискретно-непрерывных моделей управления газотранспортной системой в виде гибридного автомата;
• разработка модели динамического управления потоками в газотранспортной сети;
• формирование интегрированной структуры системы информационной поддержки и моделирования процессов управления процессами поставки газа.
Научную новизну составляют методы и модели газотранспортной системой интегрированные в систему поддержки принятия решений по выбору режимов управления перераспределением газовых потоков. На защиту выносятся:
• параметрическое описание взаимосвязи математических моделей компонентов газотранспортной системы;
• формализованное представление технологических процессов транспорта газа на базе процессно-ориентированного подхода;
• дискретно-непрерывные модели управления газотранспортной системой в виде гибридного автомата;
• модели динамического управления потоками в газотранспортной сети.
В первой главе выполнен анализ методов и моделей компонентов газотранспортной системы. В результате анализа функционирования технологических объектов транспорта газа были вскрыты основные специфические по сравнению с традиционными объектами управления свойства. Показано, что выявленные особенности необходимо учитывать при создании систем оперативного управления объектами газотранспортной системы. Необходимо иметь возможность изменения алгоритмов управления в зависимости от ситуации на объекте и объяснять принимаемые решения.
Отмеченные особенности и другие особенности, приведенные в диссертации, необходимо учитывать при создании систем оперативного управления объектами газотранспортной системы. Вышеотмеченные особенности технологических процессов добычи и транспорта газа накладывают серьезные ограничения на системы управления этим процессом, придавая каждой системе как общие для конкретного процесса, так и специфические, присущие только ей, черты.
Во второй главе диссертации решается задача формализованного описания процессов функционирования отдельных компонентов газотранспортной системы и разработки аппарата интеграции компонентов в комплексную модель. В основу построения формализованного описания положено понятие процесса.
Одной из основных задач в данной ситуации — поиск управления конфигурациями сети и давлениями на выходе узлов (компрессорных станций) для обеспечения управления газтранспортной системой как в штатном, так и в аварийном режиме функционирования в соответствии с выбранными критериями.
Следующая задача, заключается в формализованном описании операций над процессами транспорта газа с учетом нестационарных режимов, и наличии переходных процессов в случае изменений управления конфигурацией транспортной сети.
Вместе с формальным представлением схем описания отдельных технологических процессов, разработанные в диссертации операции редукции и склейки процессов позволяют моделировать процессы управления газотранспортной системой в условиях нестационарности.
В третьей главе диссертации ставится и решается задача разработки моделей поведения системы управления в виде дискретно-непрерывных процессов на основе гибридных автоматов.
В диссертации выполнена привязка каждой дуги базовой сети к определенной компоненте вектора управления. При некоторых значениях компоненты вектора управления связанная с ней дуга исключается из базовой сети, определяя тем самым одну из конфигураций сети. Одна и та же компонента вектора управления может быть связана с несколькими дугами сети. При одних значениях данной компоненты вектора управления некоторые связанные с компонентой дуги исключаются из сети, а другие — нет.
Для каждой дуги базовой управляемой сети задается конечное множество значений, которые может принимать связанная с данной дугой компонента вектора управления и при которых дуга не исключается из базовой сети. Максимальное число возможных конфигураций базовой сети при этом не превосходит мощности множества значений вектора управления.
В четвертой главе с целью снижения временных затрат и повышения вероятности принятия правильного решения система диспетчерского управления была дополнена системой поддержки принятия решений, включающей гибридно-автоматную модель управления. Система поддержки принятия решений предназначена для оказания помощи диспетчеру в анализе текущего режима работы газотранспортной системы, включая идентификацию участка разрыва трубопровода, сигнализацию происшествий, классифицируемых как разрыв на участке трубопровода, представление диспетчеру справочной и рекомендательной информации при максимальном сохранении работоспособности ГТС в целом. К справочной информации относятся данные об участке обнаружения разрыва и его основных характеристиках. К рекомендательной - набор указаний по локализации участка, нацеленных на информационную поддержку анализа происходящих процессов и тенденций, сужение круга рассматриваемых вариантов и сценариев развития.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием современных математических методов и моделей, предварительным статистическим анализом процессов обработки информации в распределенных информационных системах предприятий по транспорту газа, согласованностью результатов аналитических и имитационных моделей. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения результатов работы на ряде предприятий.
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области автоматизации управления газотранспортной системой.
При разработке методов и формальных моделей компонентов технологических процессов в диссертации использовались методы общей теории систем, математического программирования, теории графов, теоретико-множественного аппарата и др.
Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ряде предприятий, а также используются в учебном процессе на кафедре АСУ МАДИ (ГТУ).
Результаты, полученные при выполнении работы, могут найти дальнейшее развитие и применение для анализа и решения широкого класса задач по автоматизации и управлению технологическими процессами на газовых промыслах сложной структуры.
Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение:
• на научно-техническом Совете ОАО «НПО Промавтоматика»;
• на заседании кафедры АСУ МАДИ (ГТУ).
Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований составляет актуальное направление в сфере теоретических и практических методов принятия решений в области комплексной автоматизации газотранспортной системы.
Материалы диссертации отражены в 9 печатных работах.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 2 таблиц, список литературы из 103 наименований и приложения.
Характеристика технологических процессов транспорта газа
Задачей ОАО «Газпром» в целом и отдельных дочерних предприятий является обеспечение бесперебойной подачи газа потребителям с минимальными затратами на транспортировку природного газа. Газ должен быть доставлен потребителям экономически эффективным путем с соблюдением все возрастающих требований по повышению надежности и безопасности поставок. ОАО «Газпром» обеспечивает развитие и эксплуатацию Единой системы газопроводов (ЕСГ) России, основу которой составляет газотранспортная сеть, снабжающая потребителей газом с месторождений Тюменской области, Республики Коми, Оренбургской и Астраханской областей.
ЕСГ, включающая промыслы, магистральные газопроводы и подземные хранилища газа, функционирует как единый технологический и хозяйственный комплекс высокой надежности.
Особое значение в отрасли играет задача транспортировки газа. Газотранспортные системы — важнейшая составляющая ЕСГ России. Средняя дальность транспортировки газа для внутреннего потребления и поставок газа на экспорт составляет на территории России около 2500 км. Транспортировка осуществляется при помощи более 260 компрессорных станций общей установленной мощностью 41,8 млн. кВт[9].
В транспорте газа сосредоточены две трети всех основных фондов ОАО «Газпром». На объектах транспортировки газа находятся в эксплуатации: 159,5 тыс. км трубопроводов, в том числе диаметром 1420 мм - более 50 тыс. км; Более 700 компрессорных цеха, в которых установлено более 4000 газоперекачивающих агрегата общей мощностью 42 млн. кВт; 25 подземных хранилищ газа, более 3,5 тыс. газораспределительных станций (ГРС). Двадцать два газотранспортных и газоперерабатывающих предприятия обеспечивают бесперебойную подачу газа предприятиям Российской Федерации, в страны ближнего и дальнего зарубежья. В связи с удаленностью основной сырьевой базы от потребителей природного газа средняя дальность его транспортировки постоянно увеличивается, и в настоящее время составляет 2901 км.
Магистрали газотранспортной системы ОАО «Газпром» продолжают развиваться и совершенствоваться. В настоящее время в различной стадии строительства находятся магистральные газопроводы «Северо-Европейский газопровод», «СРТО-Омск-Новосибирск», «Починки-Ярославль» «Сахалин-Хабаровск-Владивосток» и многие дугие.
Компрессорная станция - это наиболее сложная часть газотранспортной сети и ее управление носит многоуровневый характер: станция в целом, компрессорный цех, газоперекачивающий агрегат и вспомогательные системы. С уровня ЛПУ МГ осуществляется контроль и управление линейной частью магистрального газопровода, молсет контролироваться работа КС. Современная микропроцессорная техника делает возможным оставить диспетчера на уровне ЛПУ МГ, КС, а ниже перейти на автоматические системы контроля и управления.
Транспорт газа представляет собой сложный технологический процесс, оперативное управление и диспетчерский контроль которым осуществляется на нескольких иерархических уровнях. 1) центральный производственный диспетчерский департамент ОАО «Газпром» (ЦПДД); 2) центральная производственная диспетчерскую служба предприятия (ЦДС); 3) диспетчерский пункт ЛПУ МГ; 4) пост контроля управления компрессорным цехом компрессорной станции; 5) системы локальной автоматики. В перечень задач информационно-вычислительной системы газотранспортного предприятия, решаемых в диалоговом режиме работниками производственных отделов и диспетчерами, входят следующие группы задач: 1) по расчету технико-экономических показателей работы газопровода за сутки; 2) по режимно-технологическим расчетам газопроводов при возникновении нештатной или аварийной ситуации; 3) по расчету технологических заданий в соответствии с запросом; 4) по часовой обработке информации; 5) по контролю аварийных ситуаций и первичной обработке телеинформации.
В информационно-вычислительной системе основной акцент сделан на решение режимно-технологических и расчетных задач, в основном, не в реальном масштабе времени. Несмотря на очевидную важность этих задач, ими все же далеко не исчерпывается перечень диспетчерских функций, Большую часть которых составляет оперативный контроль за режимом, анализ возникающих ситуаций и принятие решений. Часть этих задач позволяет решить диспетчерское управление технологическим процессом. В этом случае повышенные требования предъявляются к различным средствам автоматики, системам дистанционной связи и управления. Реализация этих требований обусловлена применением микропроцессорной техники в устройствах телемеханики и автоматики.
При нормальном течении процесса диспетчер решает рутинные задачи фиксации значений параметров, расчетов и составления сводок, а также задачи определения наилучшего режима, т.е. задачи моделирования и оптимизации.
Вышеотмеченные особенности технологических процессов транспорта газа накладывают серьезные требования на системы управления этим процессом, придавая каждой системе как общие для конкретного процесса, так и специфические, присущие только ей, черты.
Основными факторами эффективности внедрения систем автоматизации и диспетчерского управления являются: повышение надежности работы основного технологического оборудования за счет своевременных, осуществляемых в автоматическом режиме, регистрации и контроля основных параметров технологического процесса, сигнализации об отклонении параметров реального технологического процесса от заданного и выработки рациональных управляющих решений по ликвидации отклонений; повышение пропускной способности ГТС, производительности КС, ГПА и других объектов за счет выбора оптимального режима их эксплуатации; сокращение норм обслуживания основного и вспомогательного оборудования вследствие передачи функций контроля средствам и системам автоматизации управления. Построение масштабных распределенных автоматизированных систем сбора технологической информации основывается на реализации АСУТП всех уровней управления. Система оперативно-диспетчерского управления ЕСГ России, дальнего и ближнего Зарубежья предназначена для обеспечения централизованного управления объектами и технологическими процессами добычи, транспорта, хранения и переработки газа.
Основными задачами системы оперативно-диспетчерского управления ЕСГ и методами их достижения являются: повышение качества и оперативности принятия решений по управлению ЕСГ; повышение надежности газоснабжения потребителей; повышение оперативности маневрирования потоками и ресурсами ЕСГ.
Управление Единой системой газоснабжения осуществляется по иерархической схеме: Центральный производственно-диспетчерский департамент (ЦПДД) ОАО «Газпром» - Центральные диспетчерские службы (ЦДС) предприятий - диспетчерские пункты ЛПУМГ (компрессорных станций, УКПГ, ПХГ, ГПЗ и т.п.) - посты управления технологическим оборудованием (цеха КС).
Разработка формализованного мультиграфового представления газотранспортной системы
В системах диспетчерского управления для выполнения режимно-технологических расчетов и решения других диспетчерских задач используются программные комплексы моделирования технологических процессов.
Технологические схемы транспорта газа в этих комплексах при решении режимно-технологических задач представляются в виде расчетных объектов и схем. От этого представления во многом зависит выбор алгоритмов и вычислительных процедур для решения соответствующих режимно-технологических задач.
Основой любого комплекса моделирования и оптимизации режимов газотранспортных систем является блок графического, информационного, алгоритмического представления «Расчетных схем газотранспортных систем». Расчетные схемы составляются из «Расчетных объектов», которые являются информационным аналогом реальных технологических объектов (Рис.2.1.). Для соблюдения однозначного соответствия «Технологической» и «Расчетной» схем, классификация «Расчетных объектов» должна быть такой же, как и «Технологических объектов».
В то же время, классификация «Технологических схем» на категории: лучевой, магистральный газопровод; система магистральных газопроводов; система МГ с межсистемными перемычками; газотранспортная система; трубопроводная система и так далее не является жесткой и однозначно определенной (поскольку не диктуется технологическим процессом).
«Моделируемые схемы» требуют более четкой классификации, поскольку применяемые методы и алгоритмы моделирования и в особенности оптимизации газовых потоков существенно отличаются для разных категорий «Расчетных технологических систем».
В дальнейшем будут использоваться оба термина «Расчетная схема» и «Моделируемая схема» в соответствии с их содержанием.
Поскольку «Расчетная схема» является упрощенным отражением «Технологической схемы», то все требования к обозначениям объектов, правилам их графического изображения на «Технологической схеме» должны быть перенесены на «Расчетную схему». «Расчетная схема» может отличаться от «Технологической»: - во-первых, отсутствием объектов, которые не учитываются при компьютерном моделировании режимов транспорта газа; во-вторых, системой шифров объектов, адаптированной к компьютерным базам данных. .«Расчетная схема» ГТС (любой топологии) может быть представлена «Графом», ребрами которого являются «Расчетные объекты». Всем «расчетным объектам» присваиваются числовые идентификаторы. На рис.2.3. представлена схема информационных связей объектов «Расчетной схемы». Для обеспечения полного соответствия «Расчетной схемы» ГТС с параметрами в «Базе данных» SCADA — систем необходимо в «Интерфейсе связи» предусмотреть средства синхронизации. Синхронизация должна быть выполнена, прежде всего: - по идентификаторам (номерам) ребер, узлов, входов/выходов; по параметрам этих объектов Графа; по матрицам их связей. Расчетная схема ГТС помимо графического изображения должна сопровождаться таблицами паспортных параметров всех объектов, составляющих Расчетную схему. Более того, Расчетная схема ГТС должна сопровождаться расшифровкой таких сложных объектов ГТС как компрессорные цеха, с указанием их собственных Расчетных схем, состава и паспортных параметров объектов: ГПА, АВО, установки подготовки газа и т.д. Как уже отмечалось, если «Расчетную схему»: - дополнить объектами: «Внешняя среда» и «Газовый поток»; - состав параметров «Расчетных объектов» (кроме паспортных) дополнить параметрами текущего состояния, режимно-технологическими параметрами, то получим «Моделируемую схему».
Особо следует отметить, что преобразование «Расчетной схемы» в «Моделируемую схему» не должно требовать применения методов эквивалентирования параллельных и последовательных трубопроводов в «Эквивалентные трубопроводы», так как при моделировании нестационарных режимов замена схемы связанных труб одной «эквивалентной» трубой не является корректных приемом.
Каждый из объектов «Расчетной схемы» и «Моделируемой схемы» имеет собственные наборы параметров, которые будут рассмотрены в последующих разделах.
Так, система перемычек может формировать различные топологии сети транспорта газа. Поэтому для формализованного представления системы транспорта газа естественным аппаратом является описание в виде взвешенного графа (рис.2.5.). Моделируемая система представляет собой множество объектов, в виде расчетных схем с формализацией связей в виде расчетного графа.
Эффективность процесса управления определяется на основании критериев, изложенных в первой главе. При этом в штатном режиме доминирующим критерием является обеспечение минимума энергозатрат при соблюдении плана поставок, а в аварийном режиме - минимизация потерь при ограничении на невязки поставок. Эти случаи является частными вариантами решения оптимизационной задачи с переводом ряда критериев в ограничения. Однако, в общем случае критерии могут быть ранжированы по различным принципам и для решения этой задачи могут быть использованы классические методы многокритериальной оптимизации.
При реализации инструментальной среды сформирована открытая система включения произвольных методов многокритериальной оптимизации.
Моделирование аварийной ситуации сводится к задаче построения подграфа G ={W, Е } базового графа газотранспортной системы G={W, Е}, где W cW, Е сЕ. При этом расчетные процедуры для построения системы управления потоками остаются теми же, за исключением того что параметризуются сокращенным графом. Для параметризации сетевой модели ГТС в работе используются модели физических процессов транспорта газа в условиях нестационарности.
Обобщенный гибридный автомат мультиграфовой модели
Гибридный автомат задает описание последовательности функционирования в непрерывном времени отдельных составляющих сложного поведения объекта. Для гибридного автомата такой составляющей является локальная непрерывная система, а для карты состояний — непрерывная система или локальная карта состояний (гиперсостояние). Составляющая поведения автоматически включается при входе в соответствующее состояние и отключается при выходе из него. Составляющие поведения взаимодействуют друг с другом через общие переменные активного объекта, значения которых становятся начальными условиями для следующей составляющей поведения.
Таким образом, гибридный автомат можно рассматривать как описание последовательной (во времени) композиции непрерывных компонентов, взаимодействующих через начальные условия. Карту состояний можно рассматривать как описание последовательной композиции непрерывной системы и локальных карт состояния, взаимодействующих через начальные условия.
Фазовая траектория автомата Н в пространстве состояний SxT представляет собой последовательный процесс, в котором дискретными событиями являются переходы из одного состояния в другое. На рис. 3.4. показан пример такого процесса (закрашены состояния с ненулевой длительностью в непрерывном времени).
В каждом из состояний s e.S последовательный гибридный автомат ведет себя как непрерывная система (Vc,F0(s)}. Рассмотрим фрагмент последовательного процесса, изображенный на рис. 3.4. На интервале [tQ,tx] автомат ведет себя как непрерывная система, поведение которой задается системой уравнений FQ(sx). В момент tx предикат Fp(Tn) становится истинным, решение системы уравнений FQ(s{) прекращается и значения переменных фиксируются как начальные pre(V) в точке разрыва (рис.3.5.).
Интерпретация временных разрывов Далее срабатывает переход Ти и выполняется последовательность мгновенных действий FA(Tn). В результате выполнения этих действий значения некоторых переменных в общем случае изменяются и переменные приобретают значение Vn Ф pre(V).
В результате срабатывания перехода состояние s2 становится текущим, и автомат начинает вести себя как непрерывная система, поведение которой задается системой уравнений F0(s2), для которой набор значений Vn является начальным. Однако, в общем случае этот набор значений является несогласованным и для его согласования необходимо решить алгебраическую составляющую системы уравнений FQ(s2) и получить согласованные начальные значения post(V) (рис.3.5.)- На этом действия в точке разрыва заканчиваются.
Гибридные автоматы как структурные компоненты Для случая (а) существенным также является вид связываемых внешних переменных: 1) переменные являются чисто непрерывными, то есть принадлежат к множеству Vc-Vc (на рис.3.6.а такая связь показана толстой линией); 2) переменные являются дискретными, то есть принадлежат множеству VD (на рис.3.6.а такая связь показана тонкой линией). Предположим, что связь между дискретными переменными является мгновенной дискретной, то есть при присваивании нового значения одной связываемой переменной немедленно изменяется значение второй переменной. Тогда случаи объединения гибридных автоматов (а2) и (б) будут эквиваленты совместной работе нескольких параллельных карт поведений над общими переменными (рис.3.7.а), а случаи (al) и (в) — совместной работе параллельных карт поведений, взаимодействующих только через систему уравнений (рис.3.7.6).
В первом случае мы получаем совокупность вида H = {V,G}, где G = {G,\i = l..ri} - множество графов переходов, a F = F,u...uK„ - совокупное множество переменных, причем Vx п...r\Vn Ф0. Во втором случае мы получаем совокупность вида Н = {V,G,L}, где G = {Gt,/ = 1..и} - множество графов переходов, V = Vl и... и Vn и Vі - совокупное множество переменных, причем Fjn...nFn =0 и Vxn...r\VnnVL Ф0, a L = {VL,QL} - некоторая непрерывная система. Рис. 3.8. Временная цепь событий
Отличием гибридных автоматов от других дискретных моделей является то, что они взаимодействуют через внешние переменные, а не через посылку сообщений. Дискретные события в параллельных гибридных автоматах упорядочены по непрерывной составляющей гибридного времени автомата. Однако, дискретные составляющие гибридного времени отдельных автоматов несопоставимы. Поэтому в случае, когда в нескольких гибридных автоматах одновременно в непрерывном времени готовы к срабатыванию переходы, возникает проблема их синхронизации в гибридном времени. Пусть в гибридных автоматах А и В в момент ґ, одновременно готовы к срабатыванию переходы Т и 7]f (рис.3.8.). Возможны три варианта выполнения этих переходов.
Параллельный гибридный автомат порождает п последовательных процессов, выполняющихся параллельно. На рис.3.8. показаны процессы, соответствующие объединению двух последовательных автоматов А и В. Текущим состоянием эквивалентного последовательного автомата является набор s = (sl,...,s ,...,s"), где s - текущее состояние /-й карты поведения на последнем уровне вложенности. Этому состоянию соответствует совокупная непрерывная система {V,FBl(sl ) + FB(s2 ) + ... +FB(sn) + L). Например, для параллельного автомата, показанного на рис.3.8., начальным состоянием эквивалентного автомата является состояние \ = (sx ,sx ) и соответственно совокупной непрерывной системой FB(sf ) + FB(sxB) + L (рис.3.9.).
Пусть TO(s ) - множество исходящих переходов для текущего состояния і -го последовательного автомата. Ближайшее дискретное событие происходит в момент t , когда становится истинным один или несколько предикатов из множества {Fj (Ej)\Ej &TO(sl),i = \..n}. Функционирование текущей совокупной непрерывной системы прекращается, фиксируются значения pre(V) и определяется множество срабатывающих переходов ТЕ (предполагается, что для каждой последовательной карты поведений с учетом иерархии определяется единственный срабатывающий переход).
Например, для автомата, показанного на рис.3.8., в момент t — tx ТЕ = {Т{2\Т12}. Следующим состоянием эквивалентного автомата s будет комбинация новых текущих состояний последовательных автоматов после срабатывания переходов, входящих в множество ТЕ. Для примера на рис.3.8. это будет состояние s2 =(S2,S%).
Программные аспекты моделирования и создания систем поддержки принятия решений управления ГТС
При автоматизации ГТС и моделей функционирования его деятельности встают вопросы формализации решающих правил принятия управленческих решений. Опыт автоматизации показывает, что процесс создания работоспособной системы правил очень трудоемкий и на практике составленное множество правил никогда не оказывается полным.
Структура системы принятия решения должна отражать природу источников информации. При формировании структуры должны быть учтены последствия выбора компонент и моделей данных.
Структура программных компонентов Распределение системных функций между специфическими программными модулями являются вопросом организации и распределения ресурсов. Определены три основные компоненты системы: управление диалогом между пользователем и системой, управление данными и управление моделями
Компонента управления данными занимает центральное место в СППР, так как все уровни поддержки процесса выработки решения основываются на доступе к данным.
Необходимость управления моделями обусловлена природой задач, для решения которых используются СППР. Эти задачи лишь частично структурированы и, следовательно, требуют для своего решения манипуляции не только данными, но и описывающими их моделями.
Интерфейс пользователя служит для характеристики синтаксических аспектов взаимодействия (специфика устройств ввода/вывода, стиль взаимодействия и т.д.).
Функция управления диалогом применяется для определения базовой семантики взаимодействия и поддержки контекста взаимодействия, который может меняться от строго предопределенного системой до "свободно" направляемого пользователем.
Пользователь запросов использует для обеспечения двусторонней трансляции между пользовательским словарем и внутренним словарем моделирования доступа к данным системы.
Управление данными, то есть, возможность сохранять их, производить поиск и манипулировать ими, является ключевым средством. Специфическими средствами, необходимыми для управления данными в системе, являются: база данных и ее система управления (СУБД) - для обеспечения механизма доступа к данным;. справочник данных - для поддержки определений данных и описания их типов и источников в системе; средство запроса - для интерпретации запросов на данные (от разнообразных компонентов) определения стратегии получения ответов (возможно при обращении к словарю данных), формулирования запросов на специфические данные СУБД и выдачи данных на первоначальный запрос; функция переноса - для установления внешних источников выделения данных, осуществления связи СППР с соседними системами (базами данных, другими системами).
Наличие механизма явного управления моделями и вообще поддержка деятельности, связанной с моделированием, является специфической чертой СППР, которая отличает их от традиционных систем обработки информации. Возможность вызывать, испытывать в действии, изменять комбинировать и проверять модели - важное средство ядра СППР.
Управление моделями обеспечивается с помощью следующих средств: системы управления базой моделей (СУБМ), используемой для поиска, генерации, преобразования параметров и реструктурирования моделей, включения "справочника модели" с целью поддержки информации о доступных моделях; блока выполнения моделей, - предназначенного для управления прогонкой модели и осуществления связи между моделями; процессора команд моделирования, необходимого для интерпретации инструкций моделирования, получаемого из блока управления диалогом, и направления выработанных команд в СУБМ или блок выполнения моделей; интерфейса с базой данных, используемого для поиска элементов данных в базе, прогонке моделей и хранения выходной информации модели с целью дальнейшей обработки, рассмотрения или использования ее в качестве входных данных другой модели. Компоненты базы данных База данных содержит фреймы, описывающие конкретную ситуацию и ее особенности, полученные по данным из БД в блоке анализа ситуаций. Это, в основном, факты возникновения аварийной ситуации и нештатной ситуации в элементах, изменение режимов работы ГТС, нестандартные операции, такие как включения, отключения КЦ, ниток. Здесь же хранится обобщенное описание технологической ситуации в сложных элементах.
Структура фреймов в базе фактов отражает структуру информации, которую желательно иметь о каждом данном. Эта информация включает наименование данного и адрес его расположения в БД, значение слота, описываемого фреймом, достоверность факта, в которой может быть учтен источник формирования данного в БД. Т.е. в базе фактов хранится разрозненное описание ситуаций, на основе которого может формироваться и описание ситуаций на отдельных объектах и ГТС в целом (обобщенных ситуаций).
По смысловому содержании все декларативные знания об объекте разделяются на следующие группы знаний, которые хранятся в соответствующих компонентах базы знаний: база понятий - содержит знания о структуре ГТС и технологических элементах, входящих в ГТС, а также описание понятий, используемых в магистральном транспорте газа; база эвристик - содержит описание правил анализа ситуаций и закономерностей функционирования ГТС, выраженных в вербальной форме, правила принятия управляющих решений и правила применения процедуральных знаний; база вычислительных ресурсов - включает описание алгоритмических процедур, использующих модели элементов ГТС, содержит описание информации и условий, необходимых для применения вычислительных процедур; база целей - включает описание критериев управления ГТС и отдельными технологическими элементами; база фактов - содержит все факты, полученные в результате анализа текущей ситуации ГТС и в диалоге с ЛПР. Особое место занимает база данных (БД), в которой хранится фактографическая информация, поступающая с объекта, и числовые данные, характеризующие параметры состояния объекта. Данные из БД является исходной информацией при анализе ситуации в ГТС. Можно выделить следующие типы фреймов, используемых при представлении знаний в БЗ: фреймы - понятий, фреймы - операций и фреймы - ситуаций. Фреймы понятий используются в базе понятий, фреймы второго типа - в базах эвристик и вычислительных ресурсов, а фрейма ситуаций - в базах фактов и целей. Во всех фреймах, отображающих эвристики, выделяются группы слотов, списывающие объект, для которого применимо данное правило; параметры, характеризующие достоверность правил, а также описание посылок из заключений правила. Все правила записывается в виде, соответствующем импликациям, в которых посылки представлены конъюнкциями нескольких предикатов, а заключения правил - дизъюнкциями. При этом каждому предикату или его отрицанию соответствует слот во фреймовом представлении эвристических правил. Фреймы базы эвристик разделяются на три группы соответственно функциональному назначению правил: фреймы, содержащие описание способов приемов и правил управления, устанавливающих взаимосвязи между различными управляющими воздействиями, состоянием ГТС и целями управления, в эту же группу включаются правила, позволяющие выбирать управления по характерным признакам ситуаций в ГТС; фреймы, содержащие описание правил анализа ситуаций в ГТС и технического состояния отдельных элементов по параметрам режима течения газа, представленным в базе фактов и по здравому смыслу; фреймы, описывающие входную и выходную информацию алгоритмических процедур, имеющихся в составе системы управления; условия, при которых целесообразно применять алгоритмические процедуры, и ссылки на них.
