Концептуальные исследования проблемы интеграции систем управления технологическими процессами
И.С. Павловский,
с. н.с.,
к.т.н., pavlovskiy@ipu.ru,
ИПУ РАН, г.
Москва
Доклад посвящен исследованиям систем управления
технологическим производством (СУТП) как сложных систем междисциплинарной
природы с позиции концептного подхода. Данный подход позволяет дать описание
компонентов СУТП в различных аспектах и на различных уровнях детализации в
интересах качественной и количественной оценки возможности их системной
интеграции.
In paper
the manufacturing control systems (MCS) were investigated as the interdisciplinary
complex systems from a position of concept approach. This approach allows us to
describe the MCS components in different aspects and at different levels of
detail for the qualitative and quantitative evaluation of the possibility for
system integration.
Введение
В силу сложности современных систем управления
технологическими процессами, а также разнородности их компонентов, возникают
проблемы интеграции данного класса систем управления вследствие возникновения
противоречий между их элементами. Решаются такого рода проблемы с
использованием специализированных языков, с помощью которых исследуемые системы
описываются на концептуальном уровне их представления.
Задачей исследования при реализации данного подхода
является выбор или определение (выявление) набора концептов управления, которые,
являясь инструментом проведения концептуальных исследований, позволяют рассматривать
проблему на самом высоком уровне абстракции, избегая лишней детализации, но
сохраняя при этом основное содержание проблемы. Такие концептуальные
исследования дают определенную свободу в мышлении специалистов, занимающихся
решением проблемы интеграции СУТП.
Статья посвящена исследованиям процесса управления
с позиции концептного подхода, возможностям использования такого подхода для
описания и исследования СУТП как систем междисциплинарной природы в интересах
интеграции их компонентов.
1. Содержание интеграции систем управления
технологическими процессами
1.1. Интеграционный характер системы управления
современного производственного предприятия
Современные производственные предприятие
характеризуются устойчивой тенденцией к интеграции систем управления
технологическими процессами. В результате появляются интегрированные системы
управления с признаками больших (крупномасштабных) систем. Об этом свидетельствует
содержание технологических процессов, которое выражено в этапах жизненного
цикла получаемых в результате выполнения этих операций продуктов или услуг:
- маркетинговые исследования;
- проектирование продукта;
- планирование и разработка
процесса;
- закупка;
- производство или
обслуживание;
- проверка;
- упаковка и хранение
- продажа и распределение;
- монтаж и наладка;
- техническая поддержка и
обслуживание;
- эксплуатация по назначению;
- послепродажная
деятельность;
- утилизация и(или) переработка.
1.2. PLM-система как системный интегратор средств управления технологическими
процессами на предприятии
Для решения проблемы интеграции подсистем СУТП на
предприятии используется PLM-система, характерная
особенность которой заключается в обеспечение взаимодействия, как средств
автоматизации разных производителей, так и различных автоматизированных систем
многих предприятий. PLM-система по своей сути
является организационно-технической системой, обеспечивающей взаимодействие «машин
и людей» и управление всей информацией о продукте на протяжении его жизненного цикла [1].
1.3. PDM–система как системный интегратор данных в информационном пространстве производственного
предприятия
Интеграция различных подсистем управления
предприятия осуществляется на основе создания информационного пространства,
единого для этих подсистем. Управление данными в едином информационном
пространстве предприятия возлагается на PDM-систему, которая являются неотъемлемой
частью PLM-системы
и обеспечивает возможность групповой работы с данными на всех этапах жизненного
цикла продукта. PDM-системы работают не только с текстовыми документами, но и с
геометрическими моделями и данными, необходимыми для функционирования автоматических
линий, станков с числовым программным управлением и др., причём доступ к таким
данным осуществляется непосредственно из PDM-системы [2].
Таким образом, PDM-система выступает в роли
интегратора данных в единое информационное пространство производственного
предприятия.
С помощью PDM-системы осуществляется отслеживание
больших массивов данных и инженерно-технической информации, необходимых на этапах
жизненного цикла продукта предприятия. С этой целью в составе PDM-системы интегрированы
подсистемы, реализующие различные виды управления данными и информацией:
- управление инженерными
данными (Eengineering Data Management —
EDM);
- управление документами;
- управление информацией об
изделии (Product Information Management —
PIM);
- управление техническими
данными (Technical Data Management —
TDM);
- управление технической
информацией (Technical Information Management —
TIM);
- управление изображениями и
манипулирование информацией, всесторонне определяющей конкретное изделие;
- управление хранением данных
и документами;
- управление потоками работ и
процессами;
- управление структурой
продукта.
Таким образом, PLM-систему можно
рассматривать как сложную систему, в которой большое количество PDM-подсистем
и собственно PLM-подсистем объединено сложными
пространственно-временными связями (рис. 1).
рис. 1
Взаимосвязь подсистем PLM-системы и PDM-системы
1.4. Проблема интеграции организационных и технических
подсистем управления в составе PLM–системы
К сложности взаимосвязей PLM-подсистем и PDM-подсистем
добавляется их разнотипность, которая выражена включением в данные подсистемы
элементов администрирования, менеджмента, автоматики и автоматизации в силу
организационно-технического характера PLM-системы в целом.
В данных условиях находит свое отражение проблема
интеграции междисциплинарных систем управления [3, 4].
2. Разработка языка междисциплинарного общения в области
управления
2.1. Выбор уровня представления языка междисциплинарного
общения в области управления
В качестве одного из направлений решения указанной
проблемы предложен поиск языка междисциплинарного общения [5]. Подобный язык
может рассматриваться как метаязык, основные требования к которому, очевидно,
должны определяться минимумом формы (минимизацией объема описания) и максимумом
содержания (максимизации репрезентативности). Оптимальной реализации указанных требований возможно достичь только на концептуальном уровне
представления систем управления междисциплинарной природы,.
2.2. Концепты управления
В ходе исследований определений основных понятий из
общей теории управления выявлены концепты управления, на основе которых
возможно проведение концептуальных исследований систем управления междисциплинарной
природы.
Концептное представление процесса управления
приведено на рисунке 2. Здесь концепты «Субъект управления»,
«Средство воздействия», «Объект управления», «Средство измерения» - это
элементы управления; концепты «измерение», «представление», «решение»,
«воздействие» - функции элементов управления.
Очевидны следующие соответствия концептов,
выражающих элементы и функции управления:
«Субъект управления» - «решение»;
«Средство воздействия» - «воздействие»;
«Средство измерения» - «измерение» и
«представление».
рис. 2
Процесс управления в терминах концептов управления
Необходимо отметить, что
функции «решение» и «исполнение» образуют прямую связь в системе управления,
тогда как функции «измерение» и «представление» - обратную связь. Кроме того, данное представление
описывает цикл управления, который начинается с измерения свойств объекта
управления и завершается исполнением управляющего воздействия для их
целенаправленного изменения. Цель управления выражена концептом «Объект управления»,
а, точнее, желаемыми значениями свойств этого объекта.
Данное представление процесса управления позволяет
достаточно ясно описывать различные системы управления.
Введем обозначения для разработанных концептов
управления:
E={e1, e2,
e3, e4} – множество элементов
управления:
e1 – средство измерения (датчик, сенсор, измеритель);
e2 – субъект
управления (контроллер, решатель, ЛПР);
e3 – средство воздействия (исполнитель, активатор, исполнительный механизм);
e4 – объект управления (предмет, процесс, явление, устройство, человек);
F={f1, f2,
f3, f4} - множество функций
управления:
f1 – измерение;
f2 – представление;
f3 – решение;
f4 – воздействие;
REF={(е1,f1), (е1,f2), (е2,f3), (е3,f4)}– множество парных отношений
между элементами и функциями управления.
Тогда общее описание системы управления в
концептном виде будем иметь вид:
. (1)
2.3. Система управления технологическими процессами как
мультиагентная система
В простых системах управления каждый реальный (физический)
объект рассматривается только как один элемент управления (либо субъект управления,
либо средство воздействия, либо объект управления, либо средство измерения). При
этом реальный объект выполняет функцию (функции) соответствующего элемента управления.
В соответствии с выражением (1) простая система
управления может быть описана следующим образом:
, (2)
O={o1, o2,
o3, o4} - множество реальных
объектов;
ROF={(o1,f1), (o1,f2), (o2,f3), (o3,f4)} - множество парных
отношений между реальными объектами и функциями элементов управления.
С позиции парадигмы мультиагентных
систем один и тот же реальный объект (агент) может играть различные роли в
процессе управления (т.е. выполнять функции разных элементов управления).
Например, в рамках одной системы управления, один агент может выполнять функции
средств измерения и воздействия, другой – быть субъектом управления и средством
воздействия, третий – только средством измерения, четвертый – объектом управления
и средством измерения. Иными словами, каждый агент способен выполнять несколько
функций управления в зависимости от складывающихся условий управления.
С учётом принятых обозначений распределение ролей
(функций) между агентами (объектами) можно представить как бинарное отношение
между множеством объектов и множеством функций управления:
, (3)
OА={o1, … on} – множество агентов;
n – количество агентов.
В этом случае описание мультиагентной системы
управления в концептном виде примет вид:
. (4)
Таким образом, данные примеры описания систем
управления демонстрируют простоту и выразительность (информативность)
предложенных концептов управления. При этом концептное описание мультиагентной
системы управления представляет значительный интерес для концептуального
исследования СУТП как организационно-технической системой.
3. Использование концептов управления для исследования
интегративных свойств СУТП
Предложенный язык концептного описания процесса управления
предполагает следующие возможные направления его использования в области
интеграции СУТП:
· универсальное описание всей
совокупности реальных объектов как элементов СУТП в терминологии концептов
управления;
· оценка (анализ) функциональной
целостности СУТП (отсутствие дублирования и противоречивости функций управления);
· определение качественных и
количественных показателей СУТП (объем управления, глубина управления, широта
управления, связанность управления и др.) в интересах оценки затрат на организацию
управления;
· построение однородных
концептных функциональных профилей системы управления (рис. 3) (Необходимо
отметить, что функция управления «представление» реализуется в PDM-системе
путем формирования потоков данных, функция «решение» - формированием потоков управленческих
воздействий в PLM-системе в целом.);
рис. 3 Примеры однородных концептных функциональных профилей: а) функции «решение» и «воздействие» (прямые связи
управления); б) функции «измерение» и «представление» (обратные связи управления.
· построение концептных объектных
моделей, отражающих функции управления реальных объектов (рис. 4);
рис. 4
Примеры концептных
объектных моделей: а) три реальных объекта с функциями одной системы управления; б) реальный объект с
четырьмя функциями двух систем управления; в) реальный объект со всеми
функциями одной системы управления; г) реальный объект со многими функциями
многих систем управления.
· оценка функциональной
нагрузки отдельного реального объекта как элемента СУТП на основе расчета
количественных показателей участия объекта в реализации функций управления СУТП.
Заключение
Таким образом, в качестве инструмента разрешения
проблемы интеграции СУТП возможно применение концептов управления как
выразительного средства описания систем управления различной природы.
Предложенные концепты управления в качестве языка
междисциплинарного общения специалистов в области управления позволяют провести
концептуальные исследования СУТП для решения трех классов задач в интересах их
системной интеграции:
§ анализ целостности отдельной
СУТП и оценка качества интеграции ее компонентов;
§ проектирование (синтез) отдельной
СУТП с учетом оценки интегральной целостности ее компонентов;
§ системная интеграция компонентов
(элементов) нескольких СУТП на основе проверки целостных (интегративных)
свойств этих компонентов.
Литература
1. Электронная энциклопедия PLM [электронный ресурс]. URL:http://plmpedia.ru (дата
обращения: 27.08.2015).
2. PDM-система [электронный ресурс]. URL:http://ru.enc.tfode.com/PDM (дата обращения:
20.08.2015).
3. Новиков Д.А. Управление системами междисциплинарной
природы: результаты и перспективы / Труды IV Международной конференции по проблемам управления. –
М.: ИПУ РАН, 2009. С. 997 – 1003.
4. Новиков Д.А. Системы междисциплинарной природы и
инженерное образование // Инженерная
педагогика. 2011. № 13. С.178 – 185.
5. Новиков Д.А. Проблемы и инженерные методы управления
системами междисциплинарной природы [Электронный ресурс]. – М.: ИПУ РАН, 2012.