Системы автоматизированного управления (стр. 5 )

Приведем несколько примеров экспертных систем для решении задач в области планирования и управления производством, разработанных и внедренных в США [9].

Система IMACS, разработанная корпорацией DEC, помогает руководителям промышленного производства компьютерных систем в управлении делопроизводством, планировании объемов продукции, переучете товаров и в решении других задач, связанных с управлением производством. IMACS получает заказ клиента и разрабатывает приблизительный план производства, на основании которого система может оценить, какие ресурсы необходимы для выполнения заказа. IMACS – это основанная на правилах система с прямой цепочкой рассуждений, организованная в виде набора сотрудничающих подсистем, основанных на знаниях.

Система ISIS (разработка университета Карнеги-Меллон) строит план выполнения промышленного заказа на заводах по производству деталей турбин. Система выбирает последовательность операций, необходимых для выполнения заказа, определяет сроки его выполнения и выделяет ресурсы для каждой операции. Система помогает заводским плановикам обеспечить непротиворечивость производственного плана и определить, какие решения привели к нарушению ограничений. Знания системы включают организационные цели (запланированные сроки и затраты), физические ограничения (возможности конкретных станков), а также причинные ограничения (например, порядок выполнения технологических операций). ISIS использует представления знаний в сочетании с правилами разрешения конфликтов между ограничениями.

Система PTRANS помогает управлять производством и распределением компьютерных систем компании DEC. Она использует описание заказа клиента и информацию о работе завода для разработки плана сборки и тестирования заказанной компьютерной системы, в том числе определяет сроки ее изготовления. PTRANS наблюдает за тем, как персонал справляется с выполнением этого плана, диагностирует трудности, предлагает способы их преодоления и прогнозирует нехватку материалов или их избыток. PTRANS – это основанная на правилах система с прямой цепочкой рассуждений.

PLANETS – система поддержки стратегического анализа в бизнесе. Продукт, объединяющий в себе экспертную систему и технологии математического моделирования. Система сетевого анализа размещения производства разработана для удовлетворения потребностей управления при оценке сложных количественных решений управления бизнесом. Система включает в себя все аспекты автоматизированного производства и допускает использование ее персоналом без какой-либо предшествующей подготовки в области компьютеров. Пользователи определяют ситуации и данные в терминах бизнеса.

Логистическая управляющая система (LMS): непрерывное управление производством с использованием экспертной системы, основанной на базе знаний (KBES). В последние годы компания IBM в производстве полупроводников сделала особый упор на производственную логистику как технологию. Система предназначена для улучшения использования оборудования, улучшения сервиса (поставка продукции согласно графику) и сокращения времени производственного цикла. Существенные успехи были достигнуты во всех этих направлениях, в силу чего LMS сейчас является необходимой компонентой на многих производственных участках.

Вопросы для самоконтроля

1. Как описывается объект управления в терминах пространства состояний?

2. Сформулируйте цель и задачу управления.

3. Что понимается под траекторией движения объекта управления в пространстве состояний?

4. В чем заключается задача оптимального управления?

5. Что такое критерий оптимальности?

6. В чем сущность понятия управляемости?

7. В чем сущность понятия достижимости?

8. В чем сущность понятия наблюдаемости?

9. Что такое область достижимых состояний?

10. Перечислите типовые задачи оптимального управления.

11. Чем характеризуется адаптивная система управления?

12. В каких случаях считается, что априорная информация об объекте недостаточна для построения системы управления?

13. Дайте характеристику основным классам адаптивных систем.

14. Каковы особенности процесса принятия решений в автоматизированных системах?

15. Какие компоненты необходимы для поддержки принятия решений?

16. Перечислите возможные структуры автоматизированных систем.

17. Какие функции реализует интеллектуальная система?

18. Какова структура интеллектуальной системы?

19. Каковы основные свойства экспертных систем?

20. Каковы основные свойства расчетно-логических систем?

21. Каковы основные свойства гибридных экспертных систем?

3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АС

3.1. Системный подход к проектированию АС

Проектирование сложных систем осуществляется с использованием базовых принципов системного подхода. Основной общий принцип системного подхода заключается в рассмотрении частей явления или сложной системы с учетом их взаимодействия. Системный подход к проектированию АС заключается в разбиении всей системы на подсистемы (декомпозиция системы) и учете при ее разработке не только свойств конкретных подсистем, но и связей между ними [11].

Системный подход опирается на диалектический закон взаимосвязи и взаимообусловленности явлений в мире и в обществе и требует рассмотрения изучаемых явлений и объектов не только как самостоятельной системы, но и как подсистемы некоторой большей системы, по отношению к которой нельзя рассматривать данную систему как замкнутую. Системный подход требует прослеживания как можно большего числа связей – не только внутренних, но и внешних, чтобы не упустить действительно существенные связи и факторы и оценить их эффекты.

Системный подход включает в себя выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды. Интерпретация и конкретизация системного подхода имеют место в ряде известных подходов с другими названиями, которые также можно рассматривать как компоненты системотехники. Таковы структурный, блочно-иерархический, объектно-ориентированный подходы.

При структурном подходе как разновидности системного требуется синтезировать варианты системы из компонентов (блоков) и оценивать варианты при их частичном переборе с предварительным прогнозированием характеристик компонентов.

Блочно-иерархический подход к проектированию использует идеи декомпозиции сложных описаний объектов и, соответственно, средств их создания на иерархические уровни и аспекты, вводит понятие стиля проектирования (восходящее и нисходящее), устанавливает связь между параметрами соседних иерархических уровней.

Ряд важных структурных принципов, используемых при разработке автоматизированных систем и, прежде всего, их программного обеспечения, выражен в объектно-ориентированном подходе к проектированию. Такой подход вносит в модели структурную определенность, уменьшает вероятность искажения данных вследствие ошибочных действий за счет ограничения доступа к определенным категориям данных в объектах.

Для всех подходов к проектированию сложных систем характерны также следующие особенности:

- структуризация процесса проектирования, выражаемая декомпозицией проектных задач и документации, выделением стадий, этапов, проектных процедур. Эта структуризация является сущностью блочно-иерархического подхода к проектированию;

- итерационный характер проектирования;

- типизация и унификация проектных решений и средств проектирования.

Одним из ключевых моментов при проектировании АС является понятие сложности. Так, сложность структуры определяется числом элементов и связей между ними. Число элементов на предприятии (при рассмотрении процесса проектирования АС управления производством) можно оценить количеством персонала, номенклатурой средств труда, предметов труда, готовой продукции, а количество связей – количеством информации, используемой для управления.

Одним из направлений проектирования сложных систем является применение декомпозиции, которая в данном случае определяется как разделение системы на части, имеющие меньшую сложность. При этом обеспечиваются условия для анализа и синтеза подсистем; проектирования, построения, внедрения, эксплуатации и совершенствования систем управления.

Можно выделить следующие проблемы декомпозиции, а именно разделение систем на части с меньшим числом элементов и связей, выделение критериев функционирования подсистем, оценку степени отклонения получаемых результатов от оптимальной потребности системы в целом; объединение подсистем; выбор стратегии функционирования.

3.2. Основные принципы создания автоматизированной системы

АС создают в соответствии с техническим заданием, являющимся основным исходным документом, на основании которого проводят создание АС и приемку ее заказчиком.

Общесистемные принципы создания АС определены РД [2]. Создание АС должно осуществляться на основе принципов системности, совместимости, стандартизации (унификации), развития (открытости) и эффективности.

1. Принцип системности заключается в том, что при декомпозиции должны быть установлены такие связи между структурными элементами системы, которые обеспечивают цельность АС и ее взаимодействие с другими системами.

2. Принцип развития (открытости) заключается в том, что исходя из перспектив развития объекта автоматизации АС должна создаваться с учетом возможности пополнения и обновления функций и состава АС без нарушения ее функционирования. Этот принцип должен реализовываться за счет открытой структуры всех подсистем АС. Развитие системы будет осуществляться путем пополнения ее новыми подсистемами и компонентами, модернизации действующих подсистем и компонентов, обновления используемых средств вычислительной техники более совершенными.

3. Принцип совместимости заключается в том, что при создании АС должны быть реализованы информационные интерфейсы, благодаря которым она может взаимодействовать с другими АС в соответствии с установленными правилами. Символы, коды, информационные и технические характеристики структурных связей между подсистемами и компонентами АС должны быть согласованы так, чтобы обеспечивалось совместное функционирование всех подсистем АС.

В АС должны использоваться единые термины, символы, условные обозначения и способы представления информации во всех автоматизированных задачах, комплексах задач, подсистемах. Этот принцип требует использования в АС единой системы классификации и кодирования информации, единых правил сопоставления всех взаимосвязанных информационных показателей.

4. Принцип стандартизации (унификации) заключается в том, что при создании систем должны быть рационально применены типовые, унифицированные и стандартизованные элементы, проектные решения, пакеты прикладных программ, комплексы, компоненты.

5. Принцип эффективности заключается в достижении рационального соотношения между затратами на создание АС и целевыми эффектами, включая конечные результаты, получаемые в результате автоматизации.

3.3. Стадии разработки автоматизированных систем

Разработка АС от возникновения идеи до ввода ее в эксплуатацию – трудоемкий и длительный процесс, представляющий собой совокупность упорядоченных во времени, взаимосвязанных, объединенных в стадии и этапы работ, выполнение которых необходимо и достаточно для создания АС, соответствующей заданным требованиям.

В соответствии с комплексом стандартов ГОСТ 34.601-90 [12] на автоматизированные системы, используемые в различных видах деятельности (исследование, проектирование, управление и т. п.) устанавливаются следующие стадии и этапы создания АС (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Стадии	Этапы работ
1. Формирование требований к АС	1.1. Обследование объекта и обоснование необходимости создания АС. 1.2. Формирование требований пользователя к АС. 1.3. Оформление отчёта о выполненной работе и заявки на разработку АС (тактико-технического задания)
2. Разработка концепции АС	2.1. Изучение объекта. 2.2. Проведение необходимых научно-исследовательских работ. 2.3. Разработка вариантов концепции АС, удовлетворяющей требованиям пользователя. 2.4. Оформление отчёта о выполненной работе.
3. Техническое задание	3.1. Разработка и утверждение технического задания на создание АС.
4. Эскизный проект	4.1. Разработка предварительных проектных решений по системе и её частям. 4.2. Разработка документации на АС и её части.
5. Технический проект	5.1. Разработка проектных решений по системе и её частям. 5.2. Разработка документации на АС и её части. 5.3. Разработка и оформление документации на поставку изделий для комплектования АС и (или) технических требований (технических заданий) на их разработку. 5.4. Разработка заданий на проектирование в смежных частях проекта объекта автоматизации.
6. Рабочая документация.	6.1. Разработка рабочей документации на систему и её части. 6.2. Разработка или адаптация программ.
7. Ввод в действие	7.1. Подготовка объекта автоматизации к вводу АС в действие. 7.2. Подготовка персонала. 7.3. Комплектация АС поставляемыми изделиями (программными и техническими средствами, программно-техническими комплексами, информационными изделиями). 7.4. Строительно-монтажные работы. 7.5. Пусконаладочные работы. 7.6. Проведение предварительных испытаний. 7.7. Проведение опытной эксплуатации. 7.8. Проведение приёмочных испытаний.
8. Сопровождение АС	8.1. Выполнение работ в соответствии с гарантийными обязательствами. 8.2. Послегарантийное обслуживание.

Допускается исключить стадию «Эскизный проект» и отдельные этапы работ на всех стадиях, объединять стадии «Технический проект» и «Рабочая документация» в одну стадию «Технорабочий проект».

В зависимости от специфики создаваемых АС и условий их создания допускается выполнять отдельные этапы работ до завершения предшествующих стадий, параллельное во времени выполнение этапов работ, включение новых этапов работ.

Рассмотрим содержание работ, выполняемых на каждой установленной стандартом стадии разработки.

1. Стадия «Формирование требований к АС». На этой стадии проводят сбор данных об объекте автоматизации и оценку качества его функционирования, выявление проблем, решение которых возможно средствами автоматизации. Кроме того, производят оценку технико-экономической и социальной целесообразности создания АС.

Осуществляют подготовку исходных данных для формирования требований АС, таких как характеристика объекта автоматизации, описание требований к системе, ограничения допустимых затрат на разработку, ввод в действие и эксплуатацию, эффект, ожидаемый от системы, условия создания и функционирования системы.

2. Стадия «Разработка концепции АС». На этой стадии организация-разработчик проводит детальное изучение объекта автоматизации и необходимые научно-исследовательские работы (НИР), связанные с поиском путей и оценкой возможности реализации требований пользователя.

Проведение разработки альтернативных вариантов концепции создаваемой АС и планов их реализации сопровождается оцениванием необходимых ресурсов на их реализацию и обеспечение функционирования, а также преимуществ и недостатков каждого варианта.

3. На стадии разработки технического задания на создание АС при необходимости проводят разработку технических заданий на части АС.

4. На стадии эскизного проектирования осуществляется разработка предварительных проектных решений и определяются: функции АС, функции подсистем, их цели и эффекты; состав комплексов задач и отдельных задач; концепция информационной базы, её укрупнённая структура; функции системы управления базой данных; состав вычислительной системы; функции и параметры основных программных средств.

5. На стадии технического проектирования выполняется разработка общих решений по системе и её частям, функционально-алгоритмической структуре системы, по функциям персонала и организационной структуре, по структуре технических средств, по алгоритмам решения задач и применяемым языкам, по организации и ведению информационной базы, системе классификации и кодирования информации, по программному обеспечению.

6. На стадии рабочего проектирования осуществляют разработку рабочей документации, содержащей все необходимые и достаточные сведения для обеспечения выполнения работ по вводу АС в действие и её эксплуатации, а также для поддержания уровня эксплуатационных характеристик (качества) системы в соответствии с принятыми проектными решениями, её оформление, согласование и утверждение. Виды документов по ГОСТ 34.201.

Кроме того, проводят разработку программ и программных средств сис­темы, выбор, адаптацию и привязку приобретаемых программных средств, разработку программной документации в соответствии с ГОСТ 19.101.

7. На стадии ввода АС в действие проводят работы по организационной подготовке объекта автоматизации к вводу АС в действие, в том числе: реализацию проектных решений по организационной структуре АС; обеспечение подразделений объекта управления инструктивно-мето­ди­чес­ки­ми материалами; внедрение классификаторов информации.

Также проводят обучение персонала и проверку его способности обеспечить функционирование АС, комплексную наладку всех средств сис­темы.

На этой же стадии проводят сначала предварительные испытания системы, затем осуществляется ее опытная эксплуатация, и на завершающем этапе проводят приёмочные испытания АС. При проводимых испытаниях осуществляют проверку на работоспособность и соответствие техническому заданию АС в соответствии с программой и методикой, разрабатываемой для каждого вида испытаний.

По результатам опытной эксплуатации и проведенных испытаний производится доработка системы, т. е. на каждом этапе осуществляют устранение неисправностей и внесение изменений в документацию на АС, а в случае необходимости выполняется доработка программного обеспечения и дополнительная наладка технических средств АС.

8. На стадии сопровождения АС осуществляются работы по устранению недостатков, выявленных при эксплуатации АС в течение установленных гарантийных сроков, внесению необходимых изменений в документацию по АС.

Затем осуществляют анализ функционирования системы, выявляют отклонения фактических эксплуатационных характеристик АС от проектных значений, устраняют выявленные недостатки для обеспечения стабильности эксплуатационных характеристик АС.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем сущность системного подхода?

2. В чем заключаются особенности применения системного подхода при проектировании АС?

3. Сформулируйте основные принципы создания автоматизированной системы.

4. Дайте характеристику основным стадиям разработки АС.

5. Назовите основные этапы работ на каждой стадии разработки АС.

4. ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ВИДОВ АС

4.1. Автоматизированные системы управления
технологическими процессами (АСУ ТП)

4.1.1. Цель и функции АСУ ТП

В общем случае цель функционирования АСУ ТП заключается в оптимизации работы технологического объекта управления по принятому критерию управления путем соответствующего выбора управляющих воздействий [2]. В состав АСУ ТП входят автоматические средства сбора и обработки информации, в первую очередь средства вычислительной техники. Роль человека в системе сводится к выработке решений по управлению, реализации в системе процесса обработки технологической и технико-экономической информации.

Критерий управления АСУ ТП – это соотношение, характеризующее качество функционирования технологического объекта управления в целом и принимающее конкретные числовые значения в зависимости от используемых управляющих воздействий. Таким образом, критерием управления обычно является технико-экономический показатель (например, себестоимость выходного продукта при заданном его качестве, производительность ТОУ при заданном качестве выходного продукта и т. п.) или технический показатель (например, параметры процесса, характеристики выходного продукта).

Система управления ТОУ является АСУ ТП в том случае, если она осуществляет управление ТОУ в целом в темпе протекания технологического процесса и если в выработке и реализации решений по управлению участвуют средства вычислительной техники, другие технические средства и человек-оператор.

АСУ ТП как компоненты общей системы управления промышленным предприятием предназначены для целенаправленного ведения технологических процессов и обеспечения смежных и вышестоящих систем управления оперативной и достоверной технико-экономической информацией.

АСУ ТП, созданные для объектов основного и вспомогательного производства, представляют собой низовой уровень автоматизированных систем управления на предприятии.

АСУ ТП могут использоваться для управления отдельными производствами, включающими в свой состав взаимосвязанные ТОУ.

АСУ ТП производства обеспечивают оптимальное (рациональное) управление как всеми АТК и ТОУ, так и вспомогательными процессами (приемкой, транспортировкой, складированием входных материалов, заготовок и готовой продукции и т. д.), входящими в состав данного производства.

Организация взаимодействия АСУ ТП с системами управления высших уровней определяется наличием на промышленном предприятии автоматизированной системы управления предприятием (АСУП) и автоматизированных систем организационно-технологического управления (АСУОТ).

АСУ ТП получает от соответствующих подсистем АСУП или служб управления предприятием непосредственно или через АСУОТ задания и ограничения (номенклатуру подлежащих выпуску продуктов или изделий, объемы производства, технико-экономические показатели, характеризующие качество функционирования АТК, сведения о наличии ресурсов) и обеспечивает подготовку и передачу этим системам необходимой для их работы технико-экономической информации, в частности, о выполнении заданий, основных показателях выпускаемой продукции, оперативной потребности в ресурсах, состоянии АТК (состоянии оборудования, ходе технологического процесса, его технико-экономических показателях и т. п.).

При наличии на предприятии систем технической и технологической подготовки производства обеспечивается взаимодействие АСУ ТП с этими системами. АСУ ТП получают от них техническую, технологическую и другую информацию, необходимую для проведения заданных технологических процессов, и направляют в эти системы фактическую оперативную информацию, необходимую для их функционирования, в том числе для корректировок регламентов проведения технологических процессов.

При создании на предприятии комплексной системы управления качеством продукции АСУ ТП являются ее исполнительными подсистемами, обеспечивающими заданное качество продукции ТОУ и подготовку фактической оперативной информации о ходе технологических процессов (статистический контроль и т. д.).