Интеллектуальная технология мониторинга состояния сложных технических объектов на различных 

этапах их жизненного цикла

Б.В. Соколов,
 зам. дир. по науч. раб., д.т.н., проф.,
sokol@iias.spb.su,
М.Ю. Охтилев,
в.н.с., д.т.н., проф.,

СПИИРАН, г. Санкт-Петербург,
О.В. Майданович,
соиск. уч. степ. д.т.н., к.т.н., 
ВКА им. А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург

Рассматриваются проблемы создания, применения и развития автоматизированных систем. Особое внимание уделяется одному из важных видов автоматизированных систем — автоматизированных систем мониторинга (АСМ) состояний сложных технических объектов (СТО) в режиме реального времени с учетом возможной деградацией их структур, проведен обзор существующих исследований и технологических подходов к решению проблем создания и применения АСМ состояния СТО и управления в реальном масштабе времени.

 

The article is devoted to the problems of creation, application and development of automated systems. Particular attention is given to one of the important types of automated systems — monitoring automated systems (MAS) of states of complex technical objects (CTO) in real time, taking into account the possible degradation of their structures, a review of existing research and technological approaches to solving the problems of creation and application of the MAS state of the CTO and control in real time is carried out.

Введение

В современных условиях характерными требованиями, предъявляемыми к процессам управления сложными организационно-техническими комплексами (СОТК) являются: требование оперативности и достоверности оценивания состояния указанных комплексов; требование своевременности и обоснованности принятия решений, связанных с наилучшим использованием данных комплексов в конкретных условиях обстановки. Ныне существующие и проектируемые варианты СОТК представляют собой систему сложных иерархически взаимосвязанных территориально-распределенных многофункциональных объектов, создаваемых на основе современных информационных технологий (ИТ) [1, 3, 5]. Примерами таких объектов и комплексов могут быть системы, входящие в состав таких организаций как Федеральное космическое агентство, Минатомэнерго, МО РФ. В дальнейшем в докладе данные комплексы и объекты для краткости будем называть сложными техническими объектами (СТО). Анализ показывает, что процессы использования указанных СТО по целевому назначению, реализуемые в рамках соответствующих интегрированных автоматизированных систем управления (ИАСУ) СТО, сопровождаются появлением гигантских по своим объемам потоков разнородной информации и отличаются как по физической природе измеряемых и контролируемых параметров, так и по составу источников информации о компонентах вектора состояний СТО и ИАСУ СТО. Высокие требования, предъявляемые в настоящее время к качеству и достоверности оценивания состояния СТО, ИАСУ СТО и к складывающейся обстановке в целом, приводят к необходимости постоянного совершенствования технологии мониторинга состояния СТО и ИАСУ СТО, которая, в общем случае, включает в себя взаимосвязанные процессы сбора, обработки, контроля и анализа измерительной информации (ИзИ) о состоянии СТО и ИАСУ СТО, а также процессы диагностирования указанных СТО и ИАСУ СТО в случае возникновения сбоев и неисправностей. В связи с этим, в состав любой современной ИАСУ СТО в качестве базовой подсистемы входит автоматизированная система мониторинга состояния СТО (АСМ СТО), главной функцией которой является определение состояния или, более точно, проведение мониторинга состояний СТО как объектов управления ИАСУ СТО.

Объектом дальнейшего рассмотрения в данной статье являются как сама АСМ, так и два основных этапа ее жизненного цикла этап проектирования АСМ и этап функционирования данной системы, в ходе которого осуществляется анализ ИзИ, производимый с целью оценивания состояний (технических состояний) объектов анализа (ОА) — СТО. Здесь под техническим состоянием (ТС) ОА понимается совокупность изменяющихся в процессе производства, испытаний, эксплуатации свойств (качеств) ОА, характеризующих его функциональную пригодность в заданных условиях применения [1, 5]. Основным способом выявления (оценивания) ТС является сбор, обработка и анализ ИзИ. Необходимо отметить, что в настоящее время результаты решения задач сбора и обработки ИзИ в достаточной мере удовлетворяют требованиям ИАСУ СТО. К сожалению, задачи же анализа ИзИ о состоянии как СТО, так и ИАСУ в целом до сих пор в большинстве случаев решаются вручную и с учетом лишь отдельных аспектов функционирования данных объектов и систем. Среди основных особенностей процессов функционирования АСМ, касающихся этапа анализа ИзИ, можно назвать такие, как жесткие временные ограничения на получение результатов оценивания состояния СТО, а именно — реализация режима обработки больших объемов данных в «реальном масштабе времени» (РМВ), в ходе которого от момента измерения значения параметра до получения результатов анализа информации (сведений о состоянии объекта анализа) должно пройти не более нескольких секунд, а часто (для динамических операций) — в пределах одной секунды; высокие требования к достоверности и точности результатов анализа; разнообразие типов ИзИ; широкий диапазон как задач, решаемых при анализе ИзИ (контроль функционирования ОА, диагностирование неисправностей, прогнозирование поведения, оценка летно-технических характеристик и т. п.), так и типов самих ОА.

Отличительная черта рассматриваемых СТО, ИАСУ СТО состоит еще и в том, что в процессе их эксплуатации возможны различные изменения (деградация) штатного поведения данных объектов и систем, вызванные неисправностями или внешними возмущающими факторами, имеющими как субъективный, так и объективный характер. Это обуславливает необходимость на этапе применения осуществлять оперативное формирования таких взаимосвязанных процедур мониторинга и управления состояниями СТО и ИАСУ СТО, при которых обнаружение, локализация и ликвидация сбоев и отказов в них будет происходить значительно раньше, чем станут проявляться возможные последствия неисправностей. В рассматриваемых ситуациях в режиме реального масштаба времени указанные процессы мониторинга и управления состояниями СТО должны сопровождаться целенаправленными процедурами реконфигурации структур как самих СТО, так и ИАСУ ими для обеспечения максимально допустимого уровня их работоспособности, адаптации к изменениям во внешней среде [2, 5]. К сожалению, в рамках существующих ИАСУ СТО, как правило, данные технологии управления либо вообще не реализуются, либо реализуются в неавтоматизированных режимах операторами СТО. Указанные аспекты мониторинга и управления состояниями СТО особенно важны для организационно-технических комплексов, особо критичных к управлению при возникновении аварийных и нештатных ситуаций в условиях дефицита времени.

Таким образом, в современных условиях имеет место ситуация, характеризующаяся, с одной стороны, высокими требованиями, предъявляемыми к результатам мониторинга и управления состоянием СТО, а с другой — наличием условий, в которых должна функционировать АСМ СТО, ключевым элементом которой в настоящее время является система автоматизированного анализа (АА) ИзИ. Разрешение рассматриваемой противоречивой ситуации составляет существо актуальной в настоящее время научно-технической проблемы, связанной с разработкой теоретических основ и методов структурно-функционального синтеза облика автоматизированной системы мониторинга состояний СТО в РМВ с учетом изменяющихся условий их применения. В предлагаемой статье рассматривается один из возможных подходов к решению данной проблемы, который основывается на использовании новых интеллектуальных информационных технологий проектирования и применения АСМ СТО.

1. Анализ существующих технологий разработки и применения автоматизированных систем мониторинга состояний СТО

Специфической особенностью современного рынка программных комплексов, предназначенных для автоматизации процессов сбора, обработки и анализа измерительной информации, а также ИТ проектирования и эксплуатации данных комплексов является то, что он ориентирован на создание узко специализированных программных средств, жестко связанных с соответствующими предметными областями, в которых сформировались устоявшиеся проверенные многолетней практикой взгляды на технологию разработки и применения АСМ СТО. Указанная тенденция в настоящее время проявляется в том, что сейчас существует большое количество родственных по своим функциональным возможностям программных комплексов (ПрК), входящих в состав АСМ СТО, и отличающихся друг от друга лишь по способу организации вычислительного процесса и виду используемой операционной среды.

Вместе с тем, наработанный к настоящему времени богатый методический аппарат современной программотехники  позволяет решать практически любые задачи обработки данных о состоянии СТО. При этом на практике для решения с высоким качеством и на уровне современных ИТ конкретных узко специализированных задач разработки автоматизированных информационных систем (АИС), к которым, в частности, относится и АСМ СТО, широко используют подходы (виды проектирования), перечисленные в табл. 1. До последнего времени наибольшее распространение на практике получил подход (г), в результате реализации которого создается качественное, хорошо отлаженное как общее, так и специальное программное обеспечение (ОПрО, СПрО) ИС. Именно такие программные комплексы ИС до последнего времени создавались и эксплуатировались как специально предназначенными для этого подразделениями фирм — разработчиков СТО, так и подразделениями эксплуатирующих организаций. Однако сопровождение и доработка данного программного обеспечения (ПрО) в соответствии с указанной технологией является достаточно сложной и трудоемкой задачей. Необходимо также учитывать и тот факт, что в настоящее время доля затрат на разработку ПрО при создании автоматизированных ИС неуклонно возрастает и может составлять от 60 до 90 процентов стоимости всей ИС [1, 3–5]. В связи с этим вариант непосредственного программирования (вариант (г)) в современных условиях приемлем лишь для относительно простых программных систем. В противном случае (при реализации больших программных систем) при такой технологии возникают, как правило, сложные финансовые, ресурсные и временные проблемы.

Современный рынок в области разработки ПрО имеет тенденцию к все большей сегментации и специализации из-за постоянного усложнения и удорожания как ОПО, так и СПО. Разработчики операционных систем, различных инструментальных средств, СПО, а также конечные пользователи (КнП) владеют все более отличающимися друг от друга тезаурусами и «общаются» на все более непохожих языках. При этом весьма привлекательными становятся технологии создания СПО, позволяющие в процессе проектирования программ непосредственно использовать знания и опыт КнП. Все эти тенденции приводят к необходимости все более широкого использования при разработке специализированных ИС (в том числе и АСМ) расширенных возможностей современных инструментальных программных систем (ПС). В этих условиях весьма привлекательными при проектировании СПО становятся уже технологии (а), (б), (в), представленные в табл. 1. Данные подходы основаны на широком использовании CASE-технологий или им подобных инструментальных средств различного назначения как этапе разработки, например, COTS(Commercial Of-The-Shelf)-программные системы (вариант (б)), так на этапе создания ИС из этих ПС (вариант (а)).

Таблица 1

Виды и средства проектирования автоматизированных ИС

Вид
проектирования

Субъект
проектирования

Используемые
средства

а).

Проектирование ИС на базе существующих, готовых инструментальных проблемно-ориентированных COTS-средств (Commercial-Of-The-Shelf)

Специалисты в конкретной предметной области (ПрО), конечные пользователи (КнП) ИС

Специализированные CASE-технологии, операционные среды, проблемные языки представления знаний (ЯПЗ)

б).

Проектирование COTS-компонентов ИС и инструментальных средств, ориентированных на многократное применение

Профессиональные программисты, системные аналитики

«Традиционные» CASE-технологии (или, по-другому, Rapid Application Development (RAD)- средства), инструментальные среды, традиционные языки программирования и т.п.

в).

Расширение возможностей существующих COTS-средств за счет создания и подключения к уже существующим средствам дополнительных приложений

Профессиональные программисты, системные аналитики

«Традиционные» CASE-технологии (RAD), инструментальные среды, традиционные языки программирования и т.п.

г).

Непосредственно разработка уникальных ИС, ориентированных на однократное использование в конкретной ПрО

Специалисты одновременно как в ПрО, так и владеющие навыками программирования

«Традиционные» языки программирования, средства отладки и т.п.

 

При проектировании АСМ СТО РМВ система COTS-компонентов по сути является специализированной CASE-системой (вариант (а)). Данная специализированная CASE-система реализуется обычно в виде некоторой операционной среды, ориентированной на КнП и оперирующей понятиями конкретной ПрО. В свою очередь, при проектировании самих COTS-компонентов могут быть использованы инструментальные средства RAD, предназначенные для повышения эффективности процесса разработки этих компонентов профессиональными программистами. Более того, с нашей точки зрения в современных условиях наиболее перспективными являются только те технологии проектирования АСМ СТО, в которых непосредственное участие принимает конечный пользователь, являющимся специалистом в области эксплуатации соответствующего СТО. Для этого должны создаваться соответствующие специализированные операционные среды. В свою очередь, такие проблемно-ориентированные операционные среды должны быть спроектированы и разработаны в полном соответствии с требованиями и ограничениями, обусловленными спецификой автоматизируемой ПрО, а также, по возможности, на основе тех же технологий проектирования и инструментальных сред, что и АСМ СТО.

Подводя итог выше сказанному, необходимо констатировать, что на современном этапе развития науки и техники достигнут достаточно высокий уровень развития аппаратно-программных средств сбора, передачи и обработки информации, которые входят в состав любой ИАСУ СТО, постоянно происходит их модификация, улучшаются технико-экономические характеристики. Вместе с тем, в настоящее время всё большее число специалистов как на Западе, так и в России, начинают понимать всю важность комплексного интегрированного подхода к автоматизации функционирования предприятий и организаций, основанного на фундаментальных и прикладных результатах, полученных в современной математике, информатике, теории управления [5]. Продемонстрируем справедливость данного положения на примере создаваемой в настоящее время АСМ СТО РМВ.

2. Структура и основные особенности интеллектуальной информационной технологии проектирования и применения АСМ состояний СТО в РМВ

Анализ вышеизложенного материала показывает, что главное достоинство существующих инструментальных сред проектирования АСМ СТО (инструментальных средств типа RAD), заключающееся в быстром их создании, превращается на практике (при конструировании специализированных АСМ СТО) в их же главный недостаток. Это объясняется тем, что синтезируемая в рамках данных универсальных технологий АСМ будет неоптимальной по целому ряду важнейших показателей качества СПО, отражающих специфику соответствующей предметной области СТО.

Для преодоления указанного недостатка предлагается следующая модификация существующей спиральной модели проектирования ПрО, которая была названа сквозной моделью проектирования ПрО [4, 5]. Основные этапы предлагаемой технологии проектирования включают в себя: 1 этап. Функциональное проектирование, заключающееся в выявлении информационных потребностей КнП (предпроектное обследование, формулировка технических и частных технических заданий на разработку систем и подсистем проектируемого продукта); 2 этап. Концептуальное проектирование ИС (для данных — формирование концептуальной схемы БД, например, в виде ERD-диаграмм; для процессов обработки данных — определение входных и выходных данных). Концептуальный проект не зависти от реализации и отражает содержательную сторону проектируемой ИС; 3 этап. Разработка архитектуры ИС (выбор модели доступа к данным, выбор программной платформы общего ПрО — ОС, СУБД и др.; выбор аппаратной платформы — структура вычислительной сети при многомашинном комплексе и др.); 4 этап. Логическое проектирование ИС (формирование логической схемы БД и написание прикладных программ на некотором языке); 5 этап. Отладка и тестирование прикладных программ ИС; 6 этап. Сопровождение ИС.

При этом в рамках предлагаемой специализированной операционной среды также параллельно выполняются следующие объектно-ориентированные этапы проектирования: информационное концептуальное моделирование — введение параметров (концептуальных понятий ПрО), групп параметров, задание правил сегментации области значений вводимых параметров (для осуществления качественного анализа ПрО и перехода от непрерывно-значных показателей свойств ОА к дискретным); формирование поведенческой модели процесса АА — задание вычислительных моделей (ВМ) (как интеллектуальных агентов) и их метасистем (коллективов агентов). Суть этапа поведенческого моделирования состоит в описании информационных процессов (динамики функционирования), происходящих в АСМ при АА ИзИ и опирающихся на такие понятия, как состояние системы, событие, переход из одного состояния в другое, условия перехода, последовательность событий и т. п.; генерация графического пользовательского интерфейса (GUI), предназначенного для визуализации результатов АА ИзИ и используемого на человеко-машинных элементах распределенной ИС; автоматический синтез корректной метапрограммы АА ИзИ для ее реализации в сетевой среде проектируемой ИС. На этом этапе выполняется комплексная автоматическая верификация всех введенных КнП данных и синтезируется максимально параллельная программа АА ИзИ на языке внутреннего представления.

Следует заметить, что все перечисленные этапы могут выполняться независимо — для разных подсистем СТО и совместно с процессом доработки (сопровождения) операционной среды, также состоящей из отдельных подсистем. Как видно из представленного рисунка, использование такой сквозной модели проектирования АСМ СТО в РМВ позволяет достаточно полно реализовывать преимущества всех ранее перечисленных современных подходов к созданию ПрО (см. табл. 1 варианты (а), (б), (в)). В соответствии с данной моделью при проектировании АСМ предлагается осуществлять совместное комплексное параллельное проектирование как операционной среды, максимально учитывающее специфику задач АСМ СТО, так и формирование (проектирование, синтез) непосредственно АСМ СТО.

В этом случае проектированием специализированной операционной среды занимаются профессиональные программисты и системные аналитики, которые также привлекают к этой работе и КнП на всех этапах создания и внедрения данного ОПО. Формированием (синтезом) непосредственно АСМ СТО с использованием специализированных средств операционной среды должны заниматься исключительно КнП (специалисты по эксплуатации СТО). Данный подход способствует получению высококачественного программного продукта — АСМ СТО, так как в этом случае появляется возможность всестороннего учета знаний квалифицированных специалистов о своей ПрО. С другой стороны, за счет наличия итерационного сквозного режима проектирования достигается максимальное взаимодействие не только КнП, но и всех других участников проекта, комплексирование (учет) их знаний и интересов. Кроме того, за счет совмещения во времени большинства проектных работ обеспечивается минимизация сроков получения конечного продукта. Еще одним немаловажным достоинством предлагаемой технологии проектирования является простота сопровождения и доработки (развития) созданных ПС (как операционной среды, так и АМС СТО).

Таким образом, главным достоинством проектирования АСМ СТО, в соответствие с представленной сквозной итерационной схемой, состоит в том, что она позволяет непосредственно в ходе разработки быстро выявлять и уточнять, а затем и реализовывать необходимый набор функциональных возможностей создаваемого СПО и в результате получать программную систему, действительно удовлетворяющую всем требованиям заказчика (КнП) на момент ее внедрения. При этом тестирование спроектированной системы состоит в проверке интегральной корректности введенных КнП данных.

Одной из основных составляющих создаваемой операционной среды АСМ СТО является проблемно-ориентированный язык, с помощью средств которого обеспечивается взаимодействие КнП и вычислительной системы. Такой язык представляет собой целый набор объектно-ориентированных языков и визуальных средств проектирования, которые использует КнП при создании прикладной исполнительной среды АСМ СТО на основе соответствующей специализированной операционной среды разработки ПрО. Каждый такой объектно-ориентированный язык вместе со своими средствами визуального проектирования представляет собой ряд проблемно-ориентированных подмножеств метаязыка всей операционной среды, которые образуют подсистемы или визуальные языки проектирования. В свою очередь, подсистемы макрооператоров схем обработки данных (подсистема контроля функционирования (диагностирования) и прогнозирования состояния СТО, подсистема описания алгоритмов управления и т. п.), позволяющие сформировать поведенческую модель СТО, в операционной среде АСМ, реализуются посредством специальных операторов (псевдокодов), относящихся к классу языков четвертого поколения 4GL (один оператор языка 4GL соответствует целому фрагменту программы, написанной на языке 3GL). Одновременно — для обеспечения удобства формирования КнП поведенческой модели АСМ разработана подсистема макрооператоров схем обработки данных, представляющая собой визуальный язык проектирования.

Все перечисленные подсистемы используются КнП при проектировании среды исполнения АСМ СТО в РМВ в соответствии с предложенной ранее схемой сквозного проектирования ИС. Причем, такое проектирование производится в визуальном параллельном объектно-ориентированном режиме с использованием следующих специализированных интерактивных подсистем: подсистемы информационно-концептуального моделирования; подсистемы поведенческого моделирования; подсистемы генерации графического пользовательского интерфейса; подсистемы автоматического синтеза корректной параллельной метапрограммы АСМ СТО в РМВ.

Заключение

Созданная версия АСМ КСр, функционирующая в РМВ обеспечивает в настоящее время решение следующих функциональных задач: автоматизированная визуальная разработка КнП (непрограммистами) программ автоматизированного мониторинга состояний СТО; автоматическое формирование программы анализа ИзИ по заданной КнП цели анализа на конкретном сеансе управления; прием ИзИ произвольной природы; сохранение принятой и обработанной информации в архивах, реализуемое посредством интерфейсов к имеющимся БД; вторичная обработка и интеллектуальный анализ ИзИ на распределенных вычислительных комплексах; обеспечение выполнения программы функционирования СТО и необходимого уровня показателя качества управления им; графическое представление принятой и обработанной ИзИ в удобном для ее восприятия виде; оповещение (в том числе мультимедийное) о происшедших аварийных ситуациях с регистрацией действий КнП по их устранению; формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации; обмен информацией с АСУ верхнего уровня иерархии.

Разработанный программный комплекс является системой жесткого РМВ. При этом в качестве целей автоматизированного анализа ИзИ могут быть: контроль функционирования выбранного ОУ; контроль работоспособности ОУ; диагностирование возникших на ОУ неисправностей с заданным уровнем; прогнозирование поведения ОУ на заданном интервале прогноза; обеспечение выполнения программы функционирования ОУ и необходимого уровня показателя качества управления им и др.

Особо следует отметить, что разработка данной и последующих версий АСМ СТО базируется на новых научных результатах, полученных авторами в ходе выполнения ряда проектов под эгидой Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проект №02–07–90463-в), Европейского космического агентства (проект №1992р), Секции прикладных проблем при Президиуме РАН (проект №1331). К числу таких результатов можно, в первую очередь, отнести: комплексный полимодельный многокритериальный подход к автоматизации процессов мониторинга и управления состоянием СТО, базирующийся на фундаментальных научных результатах (концепциях, моделях, методах и алгоритмах), полученных к настоящему времени в теории систем и управления, функциональном анализе, общей топологии (в частности, предполагается использовать для описания исследуемых, дискретных по своей сути или по форме представления процессов, математический аппарат классического и неклассического вариационного исчисления, теории дифференциальных уравнений, методов исследования топологических структур и пространств; новые модели вычислений, реализующие произвольные схемы программ мониторинга состояний, отличающиеся от известных ранее ориентацией на доопределение значений оцениваемых параметров состояний и позволяющие формировать результат даже при отсутствии полного набора значений измеряемых параметров; методы и алгоритмы автоматического синтеза названных схем с использованием предлагаемых предикатных формальных грамматик, характеризующих структуру концептуальной модели базы знаний; методы структурно-потокового многоуровневого распознавания состояний, позволяющий строить алгебру на множестве эффективных алгоритмов распознавания, и отличающийся от известных в теории распознавания образов подходов возможностью учета показателей качеств рекуррентного и потокового процесса вычисления оценок распознавания; технологии проектирования и эксплуатации ПК мониторинга состояний ОУ как системы класса MMI/CACSD/SCADA/MAIS (человеко-машинный интерфейс /средства визуального проектирования /система сбора данных и управления/ мультиагентная интеллектуальная система).

Полученные новые научные и практические результаты являются результатом многолетнего плодотворного сотрудничества СПИИРАН, «СКБ Орион», космодрома “Плесецк”, на базе которого осуществляется непосредственная реализация АСМ СТО РМВ. Междисциплинарные исследования по рассматриваемой тематике проводились при финансовой поддержке РФФИ (гранты 09-07-00066, 10-07-00311, 11-08-08-01016, 09-07-11004, 10-08-90027-Бел_а) и Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проект № О-2.3/03).

Литература

1.   Бармин И.В., Юсупов Р.М., Прохорович В.Е., Птушкин А.И. Концепция управления состоянием сложных технических комплексов за пределами плановых сроков эксплуатации // Информационные технологии. – 2000. №5. – С.5-8.

2.   Будзко В.И., Беленков В.Г., Кейер П.А. К выбору варианта построения катастрофоустойчивых информационно-телекоммуникационных систем // Системы и средства информатики, 2003. вып 13. – М.: Наука, с. 16-40.

3.   Зацаринный А.А., Ионенков Ю.С. Тенденции развития современных информационных технологий с учетом концепции сетецентрических войн // Системы и средства информатики, выпуск 17. М.: Наука, 2007. С. 47–64.

4.   Охтилев М.Ю. О построении программ обработки и анализа измерительной информации в реальном времени //Программирование. – Том 27. – № 6. – 2001. – С. 329-335.

5.   Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006. 410 с.