Введение к работе
Актуальность проблемы. К перерабатывающим производствам (ПП) относятся такие производства, технологические процессы которых осуществляют целенаправленные изменения внутренних свойств перерабатываемых материалов. К ним относятся химические, нефтехимические, пищевые и другие. Перспективным направлением повышения эффективности ПП является применение автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения - АСУП, АСУТП, АСР. которые функционируют на основных уровнях ПП - организационно-экономическом, технологическом и параметрическом соответственно. В основе любой АСУ лежат информационные технологии, под которыми принято понимать методы и приемы обора; переработки,, хранения и'передачи информации с целью управления.
Современное состояние информационных технологий управления (ПТУ) в ПП характеризуется многообразием применяемых методов и приемов переработки и хранения информации, основу которых составляют классические теории управления, регулирования и оптимизации. В последнее время в АСУ начали использоваться новые информационные технологии, основанные на методах искусственного интеллекта, с формализацией знаний и опыта человека как носителя наиболее важной для управления информации. Использование новых ИТУ в рациональном сочетании с методами классического управления позволяет существенно расширить функции АСУ на всех уровнях функционирования ПП и, как следствие, повысить их эффективность. Однако различие методологических основ классических и новых методов . отсутствие их системний структуризации при синтезе ИТУ значительно уменьшают эффективность использования систем управления.
Поэтому одним из необходимых условий создания эффективных систем управления является единство методологических подходов к ' синтезу ИТУ, что обеспечивает унификацию математического, информационного и программного обеспечения управления на основных уровнях функционирования ПП в различных предметных областях переработки. В том числе единая методология должна определить научные основы синтеза рациональных сочетаний классических и новых методов управления в виде комбинированных методов ИТУ, обеспечить построение базы знаний и интеллектуального интерфейса как обязательных компонент АСУ, использующей комбинированные методы. Решение перечисленных проблем позволяет разработать инструментальные средства синтеза ИТУ, обеспечивающие повышение уровня тиражируемое систем управления за счет простоты адаптации унифицированных средств к изменениям предметной области переработки и высокую эффективность АСУ на всех уровнях функционирования ПП.вследствие применения комбинированных ИТУ. На сегодняшний день единая методология синтеза ИТУ ПП отсутствует, однако имеется подготовленная теоретическая база для ее разработки в виде теории систем, теории выбора и принятия решений, классической теории управления и теории искусственного интеллекта.
.Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой работ Государственного комитета Российской федераций по высшему образованию по теме "Моделирование технологических систем, принципов и методов их автоматизированного проектирования и управления"; программой работ Головного совета ГКВО РФ по автоматике и системам управления по теме "Моделирование информационных технологий и разработка инструментальных средств управления процессами и производствами"; научно-технической региональной программой
"Черноземье"; целевой комплексной программой ГКНГ СМ СССР 0.Ц.026.
Цель и задачи работы. Целью работы являются исследование и" разработка методологических принципов, научных основ и математических моделей синтеза комбинированных ИТУ на примере перерабаты-вагощих производств с инвариантными свойствами к предметной области и уровням функционирования, обеспечивающих построение инструментальных средств в виде математического, программного и информационного обеспечений принятия решений.
Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:
-
Системный анализ и декомпозиция информационных технологий перерабатывающего производства, построение и исследование концептуальной модели ИТУ в виде теоретико-множественного описания системных объектов и процессов принятия решений, инвариантной к предметной области переработки и уровням функционирования производства.
-
Определение методологических принципов синтеза комбинированного выбора в виде правил построения рационального сочетания классических и новых методов, получаемых в результате исследования концептуальной модели ИТУ.
-
Построение предметно-семантических моделей ИТУ на основных уровнях функционирования производства и получение на основе этих моделей состава задач ИТУ в АСУП, АСУТП и АСР и структуры их взаимодействия.
-
Синтез диалогической модели компоновки ИТУ на основе полученной концептуальной модели, выбор системы представления данных и знаний о функционировании объекта и системы управления.
разработка структур унифицированных компонент базы данных и знаний.
-
Математическая формализация методов ИТУ. обеспечивающих рациональное сочетание классических и новых ИТУ при комбинированном выборе на различных уровнях функционирования в условиях перерабатывающего производства. , '
-
Разработка архитектуры функционирования комбинированных ИТУ, в том числе создание модели организации выбора и способов организации функционирования решателя и системы диалогового общения в составе интеллектуального интерфейса системы управления.
7; Синтез информационных технологий управления объектами ос-. новных уровней функционирования конкретных перерабатывающих производств на основе методологических принципов и методик, полученных в результате выполненных теоретических исследований.
8. Промышленная апробация разработанных ИТУ на предприятиях перерабатывающих отраслей и оценка экономической эффективности внедрения.
Методы исследования. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования базируются на использовании методов и теорий сложных систем, множеств, выбора и принятия решений, формальных систем, искусственного интеллекта, управления и регулирования. Общей методологической основой является системный подход.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке методологических основ синтеза информационных технологий управления производственными системами, реализуемых в условиях ' перерабатывающего производства, и инвариантных к предметной об-- ласти и уровням управления:
.1. Разработана теоретико-множественная модель информационных
технологий управления, определяющая системную методологию их синтеза в условиях перерабатывающего производства и представленная комплексом сетевых графов списания состояний объектов и функциями выбора на множестве этих состояний
-
Построен универсальный структурный элемент выбора, обеспечивающий инвариантность процедур моделей синтеза информационных технологий управления на примере перерабатывающего производства.
-
Предложены правила синтеза функции комбинированного выбора на основе рационального сочетания различных типов задания цели выбора.
-
Сформулированы принципы и построены структурные модели компоновки данных и знаний в информационном пространстве системы управления.
-
Разработаны структуры унифицированных фрєймов-про'іптнпоіз и фреймов-примеров как основных структурных элементоз базы знаний системы управления.
-
Дано теоретическое обобщение совокупности 'методов принятия решений, отвечающих предложенной концепции управления, в том числе разработаны методы самонастройки систем регулирования, ситуационного управления и выбора по качественным .отношениям.
-
определена новая архитектура информационных технологий управления, включающая структурную модель организации выбора, алгоритм функционирования решателя и основные элементы языка организации диалогового общения.
-
Разработан комплекс новых моделей и алгоритмов управления для конкретных объектов перерабатыпапщих производств в составе АСУП, АСУТП И АСР.
На защиту выносятся:
-
Методология и научные основы синтеза информационных технологий управления производственными системами.
-
Новые модели, методы и алгоритмы построения баз знаний и процессов принятия решений на основных уровнях функционирования перерабатывающего производства.
-
Результаты машинных экспериментов и апробация разработанных информационных технологий управления на производственных объектах. ; .
Практическая значимость работы состоит в построении комплекса инструментальных средств синтеза ИТУ в виде методов, моделей и алгоритмов предназначенных для разработки математического, информационного и программного обеспечений АСУ производственными процессами различного назначения. Комплекс структурно инвариантен к предметной области и уровням управления как перерабатывающих производств, так и ряда других, допускающих предложенное концептуальное описание. Он позволяет синтезировать информационные технологии управления, включающие формализованные экспертные знания и интерактивный диалог с конечным пользователем, что обеспечивает высокую эффективность, тиражируемость и адаптивность различных типов систем управления - АСУП, АСУТП и АСР.
Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы реализованы в составе АСУП, АСУТП и АСР в нефтехимической и пищевой промышленности, а также в учебном процессе Воронежской государственной технологической академии (ВГТА) в виде учебных пособий и лабораторных практикумов. Результаты работы внедрены на пяти предприятиях Российской Федерации путем ввода в промышленную эксплуатацию систем управления, защищенных авторски-
ми свидетельствами, передачи проектной документации на математическое и программное обеспечения системы управления для разработки программно-технических комплексов АСУТП. По результатам работы получено 12 авторских свидетельств, 4 из которых внедрены с фактическим экономическим эффектом. Система учета и поддержки принятия решений при организационном управлении мясоперерабатывающим предприятием принята отраслью в качестве типовой для дальнейшего тиражирования. Сумчарнкй фактический экономический эффект от внедрения результатов работы составил в ценах до 1991 г. -1506,34 тыс. руб., в 1993 г. - 694,5 ТЫС руб. И В 1994 Г. -44870 тыс. руб.
Апробация работы. Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертации, были доложены: на международных конференциях "Жидкостная экстракция органических соединений ISE-C0S92" 22-25 сент. 1992г. (г.Воронеж); "Международный Форум Иифор-матизации-93" 25-26 нояб. 1993г. (г.Москва); "Научно-технический прогресс в перерабатывающих отраслях АПК" 16-18 мая 1995г. (г.Москва); Всесоюзных конференциях "Нестационарные процессы в катализе" 15-18 февр. 1982г. (г.Новосибирск); "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" 10-12 сент. 1985г. (г.Черкассы); "Математические методы в химии" 11-14 июня 1985г. (г.Грозный); "Применение микро-ЭВМ в управляющих и информационных системах в промышленности синтетического каучука" 26-28 июня 1985г. (г.Воронеж): "Математическое моделирование сложных ХТС" 10-12 сент. 1985г. (г.Одесса); "Автоматизация и роботизация г, химической промышленности" 3-6 июня 1986г. (г.Тамбов); "Интенсификация учебного процесса в высшей школе на базе микропроцессорных вычислительных систем" 15-17 мая 1987г. (г.Воронеж); "Применение мик-
ро-ЭВМ в автоматизированных системах управления в промышленности синтетического каучука" 15-17 сент. 1987г. (г.Воронеж); "Автоматизация в химической промышленности" 10-12 июня 1988г. (г. Тамбов); "Математическое и машинное моделирование" 5-6 окт. 1986г. (г.Воронеж); "Моделирование систем автоматизированного проектирования, АСНИ и ГАП" 10-12 июня 1989г. (г.Тамбов); "Методы кибернетики химико-технологических процессов" 14-16 июня 1989г. (г.Москва); "Динамика процессов и аппаратов химической технологии" 8-12 окт. 1990г. (г.Воронеж); "Математическое и машинное моделирование" 1-3 окт! 1991г. (г.Воронеж); Всероссийских конференциях "Современные методы в теории краевых задач" 4-6 мая 1992г. (г.Воронеж); "Информационные технологии и системы. Технологические задачи механики сплошных сред" 21-26 дек. 1992г. (г.Воронеж); "Теория функций. Дифференциальные уравнения в математическом моделировании" 25 янв.-З февр. 1993г. (г. Воронеж); "Информационные технологии и системы" 26-29 окт. 1993г. (г.Воронеж); "Математические методы в химии" 27-29 окт. 1993г. (г.Тула); "Проблемы химии и химической технологии" 4-6 окт. 1994г. (г.Тамбов); "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического и машинного моделирования" 17-20 мая 1993г. (г.Тамбов), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников Воронежской государственной технологической академии.
Публикации. По результатам проведенных исследований и практических, разработок опубликовано 103 научные работы, в том числе 2 учебных пособия. 12 авторских свидетельств. Основное содержание работы изложено в 38 публикациях, список которых приведен в автореферате.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 218 наименований и приложений. Основной текст изложен на 282 страницах. Работа содержит 30 таблиц и 46 рисунков. Объем приложений 74 страницы.
