Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства
Рассмотрены особенности систем управления вероятностных процессов производства, определена актуальность имитационного моделирования таких объектов исследования. Предложена формальная модель управления вероятностными технологическими процессами производства. На основании учета особенностей взаимодейс...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут проблем реєстрації інформації НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7568 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства / В.С. Смородин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2008. — Т. 10, № 2. — С. 53-68. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860059911782662144 |
|---|---|
| author | Смородин, В.С. |
| author_facet | Смородин, В.С. |
| citation_txt | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства / В.С. Смородин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2008. — Т. 10, № 2. — С. 53-68. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Реєстрація, зберігання і обробка даних |
| description | Рассмотрены особенности систем управления вероятностных процессов производства, определена актуальность имитационного моделирования таких объектов исследования. Предложена формальная модель управления вероятностными технологическими процессами производства. На основании учета особенностей взаимодействий компонентов таких систем управления предложена библиотека имитационных моделей элементов управления процессами. Изложена технология использования системы автоматизации моделирования технологических процессов производства.
Розглянуто особливості систем керування ймовірних процесів виробництва, визначено актуальність імітаційного моделювання таких об’єктів дослідження. Запропоновано формальну модель керування ймовірними технологічними процесами виробництва. На основі врахування особливостей взаємодії компонентів таких систем керування запропоновано бібліотеку імітаційних моделей елементів керування процесами. Викладено технологію використання системи автоматизації моделювання технологічних процесів виробництва.
Features of control systems for probabilistic processes of manufacture are considered, urgency of imitating modeling of such objects of research is determined. The formal model of management for probabilistic technological processes of manufacture is offered. On the basis of the account of features of components interactions of such control systems the library of imitating models of process management elements is offered. The technology of using a modeling automation system for technological manufacture processes is presented.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:03:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
Інформаційно-аналітичні системи
обробки даних
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 53
УДК 007.003; 007.008; 65.0
В. С. Смородин
УО «Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины»
ул. Советская, 104, 246019 Гомель, Республика Беларусь
e-mail: smorodin@gsu.unibel.by
Имитационное моделирование систем
управления вероятностными технологическими
процессами производства
Рассмотрены особенности систем управления вероятностных про-
цессов производства, определена актуальность имитационного моде-
лирования таких объектов исследования. Предложена формальная
модель управления вероятностными технологическими процессами
производства. На основе учета особенностей взаимодействий компо-
нентов таких систем управления предложена библиотека имитаци-
онных моделей элементов управления процессами. Излагается техно-
логия использования системы автоматизации моделирования техно-
логических процессов производства.
Ключевые слова: системы управления, вероятностные технологиче-
ские процессы, система автоматизации моделирования.
Введение
Перспективным подходом для обоснования решений по сложным проблемам,
возникающим при анализе функционирования потенциально техногенно опасных
вероятностных технологических процессов [1], в настоящее время стал систем-
ный анализ имеющих место в процессе реализации технологического цикла кри-
тических ситуаций (выбор оптимальной стратегии при снятии с эксплуатации
объектов с ядерными технологиями; выбор стратегии реагирования на возникно-
вение отказов функционирования оборудования при реализации технологических
процессов опасного производства и др.). Следует отметить, что недостаток дан-
ных, а также отсутствие достоверной информации при анализе сложных систем и
процессов, приводит к необходимости использования математических методов
принятия решения в условиях неопределенности и риска.
Ключевым звеном системного анализа в данном случае является задача раз-
работки подходящей имитационной модели и выбора на основе «взвешивания» и
«свертки» совокупности критериев, определяющих качественные характеристики
© В. С. Смордин
В. С. Смородин
54
анализируемого объекта [2]. Как известно, имитационное моделирование является
широко признанным методом, используемым при решении сложных задач сис-
темного анализа, оптимизации, проектирования и проектного моделирования тех-
нологических систем. При осуществлении анализа дискретных технологических
процессов, в зависимости от уровня их сложности и организованности, а также от
качественных характеристик отдельных операций (детерминированного или ве-
роятностного типа), применяется достаточно много математических методов
(теория массового обслуживания, аппарат сетевого планирования, теория распи-
саний и др.). Для реальных технологических процессов, характеризующихся на-
рушениями выполнения технологического цикла, случайными отклонениями во
времени от графика, возникновением аварийных ситуаций [3], задача анализа и
управления вероятностными технологическими процессами еще более усложняется.
Необходимо также подчеркнуть, что системы управления вероятностными
технологическими процессами обладают рядом особенностей, отличающих их от
других объектов моделирования, обычно исследуемых с помощью имитации: не-
предсказуемый характер активизации элементов систем управления; вероятност-
ный характер взаимодействия компонентов технологического процесса с систе-
мой управления; наличие ограничений на использование ресурсов технологиче-
ского процесса и надежностные характеристики задействованного оборудования;
необходимость оперативной синхронизации функционирования элементов систе-
мы управления.
Эти обстоятельства потребовали разработки новых методов их имитационно-
го моделирования и соответствующего программного обеспечения, реализующего
данные методы, что обусловило актуальность и определило новизну настоящей
работы.
Формализация процесса управления вероятностным
технологическим процессом производства
Формализация управления вероятностным технологическим процессом про-
изводства (ВТПП) основана на использовании в структуре управления стандарт-
ных элементов и сигналов, которые формируют регулирующие воздействия на
оборудование путем их логической комбинации [4]. Для исследования структуры
системы управления и динамики взаимодействия ее компонентов необходимо со-
вмещение временного моделирования с отображением функций основных компо-
нентов системы. Такое совмещение обычно называют технологическим модели-
рованием. Для регулирования поведения ВТПП используется эмуляция некото-
рых функций компонентов системы, которая представляет собой суть функцио-
нального моделирования. Регулирование достигается путем реализации функций
контроля выхода компонентов { fhU } переменных управления { hU } за допусти-
мые границы диапазона их изменений. Возврат значений этих переменных в раз-
решенные диапазоны изменения осуществляется с помощью специальных эле-
ментов корректировки состояний (последовательности агрегатов-процедур управ-
ления { hlUPROC }). На рис. 1 приведена структура взаимосвязей системы управле-
ния с компонентами имитационной модели (ИМ) вероятностного технологического
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 55
12
11
311 }{ hrind
411 }{ hr
611}{ abr
511}{ abr
11
12
322 }{ hrind
422 }{ hr
522}{ abr
622}{ abr
}{ nhX
}{ 1hrG
}{ 1hrind
}{ 1hr
}{ 1abr
}{ 1habr
}{ mhX
}{ 2hrG
}{ 2hrind
}{ 2hr
}{ 2habr
}{ 2abr
}{ fhZ
}{ fhU
}{ fhU
}{ mhY
}{ khST
Рис. 1. Структура взаимосвязей системы управления с компонентами имитационной модели
вероятностного технологического процесса производства
В. С. Смородин
56
процесса производства. Система управления (СУ) на данном рисунке представле-
на имитатором управления ВТПП, содержащим регистры функционирования (ре-
гистры состояний системы управления { fhZ }), регистры переменных управления
{ hU }, осуществляющие взаимодействие с имитационной моделью ВТПП через
компоненты { fhU }, регистры управляющих воздействий { fhU }, отвечающих за
восстановление значений { fhU } в допустимых границах их изменений с помощью
последовательности агрегатов-процедур управления { hlUPROC }, регистры от-
ключения управления и обработки статистики имитации. В общем случае система
управления состоит из двух типов элементов синхронизации. Первый тип элемен-
тов представляет собой сложным образом организованную схему совпадения сиг-
налов типа «И», второй тип является логической схемой слежения «ИЛИ». Она
вырабатывает выходные сигналы после прихода на любой из ее входов самого
раннего сигнала.
Поскольку все сигналы связи между элементами СУ являются сложными, то
в них хранится информация о ситуациях, возникающих в системе при выполне-
нии любого ее элемента: нормальное исполнение функций элементом, отказ обо-
рудования, выход { hU } за допустимые пределы, совмещение отказов оборудова-
ния с выходом { hU } за допустимые диапазоны их изменения. Это означает, что
сигналы, поступающие от системы управления к оборудованию, имеют соответ-
ствующие признаки, указывая тем самым на возникшую ситуацию в ходе выпол-
нения любого элемента системы управления.
Таким образом, в системах управления ВТПП должны присутствовать не-
сколько типов исполнительных устройств: исполнители функций; устройства
оперативной ликвидации последствий аварий на оборудовании; универсальные
элементы, которые одновременно ликвидируют последствия аварий и выходов
компонентов { hU } за допустимые границы. Поэтому имитационная модель сис-
темы управления конструируется из следующих типов исполнительных элемен-
тов:
— исполнитель функции по корректировке значений компонентов вектора
глобальных переменных управления kU при выходе за допустимые границы
( ijCORF );
— исполнитель, ликвидирующий последствия аварий на оборудовании
( ijLICV );
— универсальный элемент, который одновременно корректирует значения
компонентов вектора kU и ликвидирует последствия аварий на оборудовании
( ijUNIV );
— индикатор состояния ВТПП ( ijINDS ).
Типы элементов различаются между собой степенью сложности алгоритма их
выполнения, составом используемых ресурсов и оборудования. Связь между эле-
ментами осуществляется с помощью управляющих сигналов двух типов: действи-
тельных ( Sgd ), инициирующих алгоритм выполнения исполнительных элемен-
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 57
тов, и фиктивных ( Sgf ), которые, минуя основной алгоритм функционирований
элемента, поступают с выхода исполнительного элемента непосредственно на
один из входов элемента синхронизации СУ ВТПП. Сигналы также имеют слож-
ную структуру и состоят из трех частей: типа сигнала ( s ), адресной части ( ad ) и
информационной части ( in ). У действительного сигнала ijSgd значение 1s , а
у фиктивного сигнала ijSgf значение индикатора 0s . В адресной части
( ),,,,( rjlkiad , где i — номер элемента синхронизации на l-м разветвлении кус-
тового выхода номера k) содержится информация откуда и куда направляется
сигнал. Формируется поступающий через исполнительный элемент на r-й вход
j-го элемента сигнал в момент срабатывания спусковой функции i-го элемента
синхронизации. Информационная часть ijSgd имеет вид: ),( sopsin , где ps —
последействие выполнения элемента, so — состояние системы управления после
выполнения исполнительного элемента в момент срабатывания «спусковой»
функции. Если при выполнении исполнительного элемента произошла авария
оборудования, то формируется признак аварии '1'ps , а при отсутствии аварий-
ной обстановки этот признак равен нулю ( '0'ps ).
Различают четыре варианта последействий выполнения элемента: нормаль-
ное выполнение исполнителя ( '00'ps ), «произошла авария» ( '01'ps ), «имел
место выход компонентов { kU } за допустимые пределы их изменения» ( '10'ps ),
«имели место одновременно выход компонентов за допустимые границы и авария
на оборудовании» ( '11'ps ). При этом до прихода сигнала на вход исполнителя
значение '0'so , а в момент его прихода значение '1'so . Признаки '10'ps фор-
мируются только в том случае, когда kgkk IndUU , где gkU — граничное зна-
чение k-го компонента контролируемой переменной, kInd — величина диапазо-
на изменения компонентов вектора { kU }.
Каждый исполнительный элемент системы управления является двухполюс-
ным и инициируется только действительными сигналами ijSgd . В случае прихода
фиктивного сигнала ijSgf на вход исполнительного элемента, его алгоритм не вы-
полняется, а сигнал поступает непосредственно на один из входов j-го элемента
синхронизации. Параметрами этих исполнительных элементов в общем случае
являются:
ij — индекс элемента;
{ 1r } — список номеров оборудования индивидуального пользования;
{ 2r } — список номеров оборудования общего пользования, на которых для
элемента выделено место размером { 2rV };
{ 3r } — список номеров ресурсов индивидуального использования;
{ 4r } — список номеров ресурсов общего использования, на которых для эле-
мента выделено место размером { 4rV };
В. С. Смородин
58
{ 5r } — список номеров индивидуальных исполнителей, используемых эле-
ментом системы управления;
{ 6r } — список номеров бригад исполнителей;
{ 7rmt } — количество материалов с номером 7r , используемого элементом;
{ 8rko } — количество комплектующих изделий с номером 8r ;
ijC — стоимость нормального выполнения текущего исполнительного эле-
мента;
ij — интервал времени нормального выполнения элемента.
Под нормальным выполнением исполнительного элемента понимается слу-
чай, когда во время выполнения операции управления не происходит отказов обо-
рудования индивидуального и общего пользования. Каждое устройство оборудо-
вания с номером r, в свою очередь, может находиться в следующих состояниях:
безотказного функционирования длительностью BOr , восстановления его работо-
способности длительностью VOr и ликвидации аварии длительностью AVr , кото-
рая возникает на оборудовании r-го номера с вероятностью avrP после возникно-
вения отказа его функционирования. При восстановлении функционирования
оборудования номера r и ликвидации аварии оборудования стоимость выполне-
ния технологического цикла, предусмотренного алгоритмом исполнителя, увели-
чивается соответственно на значения rC1 и rC2 .
В общем случае параметры выполнения алгоритма элементов-исполнителей
( ij , ijC , { ijrko 8 }, { ijrmt 7 }, 4rV , 2rV ) являются случайными величинами. Списки
номеров оборудования, ресурсов, индивидуальных исполнителей и бригад испол-
нителей являются детерминированными характеристиками для исполнительного
элемента с индексом ij . Параметры функционирования оборудования
( VOr , BOr , AVr ) также являются случайными величинами.
Исполнительные элементы функционируют одинаковым образом. После ак-
тивизации сигналами, поступающими от элементов синхронизации ( jSLAST и
jSFIRST ), формируется заказ ресурсов ВТПП согласно списку параметров. Если
параметры являются вероятностными, то их значения определяются по соответст-
вующим функциям распределения. Остальные параметры должны быть выделены
в распоряжение элемента на время его выполнения ij . Далее активизируются
устройства оборудования индивидуального и общего пользования, выделенные в
распоряжение элемента. В случае, когда во время выполнения исполнительного
элемента происходит отказ функционирования оборудования, то фактическое
время выполнения элемента увеличивается на длину интервала восстановления
работоспособности и время ликвидации аварии на оборудовании. Только после
завершения использования оборудования исполнительный элемент с индексом ij
формирует выходной сигнал, направляя его на j-й элемент синхронизации систе-
мы управления. При возникновении отказа оборудования или выхода компонен-
тов вектора hU за допустимые пределы эта ситуация запоминается в информаци-
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 59
онной части выходного сигнала, который затем посылается на соответствующий
вход элемента синхронизации согласно матрице коммутации сигналов.
Синхронизация взаимодействия компонентов в системе
управления вероятностным производственным процессом
Первый тип синхронизатора iSLAST функционирует по алгоритму логиче-
ской схемы «И». Вначале синхронизатор iSLAST ожидает прихода сигналов на
один из его входов. После прихода самого позднего сигнала на один из входов
элемента iSLAST срабатывает «спусковая» функция. В этот момент одновременно
формируются все сигналы на разветвлениях выходов элемента. Второй тип син-
хронизатора iSFIRST функционируют по алгоритму логической схемы «ИЛИ».
Этот элемент также ожидает прихода сигналов на его входы, и число его входов
ii bra . С приходом самого раннего сигнала ijSgd на любой из входов элемента
срабатывает «спусковая» функция синхронизатора iSFIRST , и формируются сиг-
налы на выходах элемента. С этого момента остальные сигналы ijSgd на iSFIRST
игнорируются алгоритмом элемента формирования выходных сигналов. Обработ-
ка сигналов элементами iSLAST и iSFIRST осуществляется одинаковым образом в
момент срабатывания «спусковой» функции элемента.
У элементов синхронизации iSLAST и iSFIRST структура выходов одинакова.
В общем случае все выходы элементов синхронизации могут быть кустовыми с
различным числом разветвлений kL , где k — порядковый номер выхода ( klk ),
номер разветвления kk Ll ,1 . Если 1kL , то выход номера k называют одиноч-
ным. На каждом kl -м разветвлении выхода номера k в момент срабатывания спус-
ковой функции формируются действительные или фиктивные сигналы ( ijSgd и
ijSgf ) от і-го элемента синхронизации на вход исполнителя с индексом ij .
На разветвлениях выходов сигналов первого типа одновременно формируют-
ся только действительные сигналы ijSgd , которые направляются согласно своей
адресной части на исполнительные элементы с индексом ij . Выходы второго типа
имеют вероятностную природу, поэтому до начала имитации задается вектор ве-
роятностей { kijp }, у которого
k
kijp 1 . Выходы третьего типа используются для
активизации тех исполнительных элементов ijLICV , которые ликвидируют по-
следствия аварии на оборудовании ВТПП. Для этой цели используется матрица
rh , имеющая m строк, число которых равно числу входов ( mr ), и 1S столб-
цов ( 1Slk ). Действительные сигналы ijSgd на kl -х разветвлениях формируются
только в том случае, когда истиной становится булева функция rspsZ . По-
этому в случае поставарийной обстановки во входном сигнале в состоянии '1'ps
активизируется h-е разветвление k-го выхода третьего типа путем посылки ijSgd
В. С. Смородин
60
на элемент ijLICV , ликвидирующий последствия аварии на оборудовании. На ос-
тальных разветвлениях этого выхода элемента синхронизации формируются фик-
тивные сигналы ijSgf . Изменяя содержимое r-х строк в матрице rh , регулиру-
ется либо активизация элементов ihLICV для ликвидации последствий аварии на
оборудовании, либо активизация ihUNIV для ликвидации аварийной ситуации и
корректировки значений компонентов вектора kU . Выходы четвертого типа ис-
пользуются для активизации исполнительных элементов ihCORF , которые кор-
ректируют значения компонентов { kU } при их выходе за границы допустимых
диапазонов значений. Для этого используется матрица rh , в которой также
имеется r строк и 2S столбцов ( 2Slk ). Аналогично предыдущему случаю, дей-
ствительные сигналы jSgd на kl -х разветвлениях формируются только в том слу-
чае, когда истиной станет булева функция rssoW . С помощью этой матрицы
при выходе хотя бы одного компонента { kU } за допустимые пределы в состоянии
'1'so активизируется s-е разветвление k-го выхода четвертого типа путем по-
сылки ijSgd на элемент ihCORF , корректирующий значения компонентов { kU }.
На остальных разветвлениях этого выхода элемента синхронизации формируются
фиктивные сигналы ijSgf . Поэтому, изменяя содержимое r-х строк в матрице
rh , активизируются элементы ihCORF для корректировки значений { kU } гло-
бальной переменной управления. Отметим, что на k-х выходах формируется мно-
жество действительных и фиктивных сигналов, при этом действительные сигналы
ijSgd , в свою очередь, активизируют следующие элементы:
— с выходов первого типа все элементы ijISPF на каждом разветвлении;
— с выходов второго типа только один элемент ijISPF ;
— с выходов третьего типа комбинацию элементов ijLICV или ijUNIV ;
— с выходов четвертого типа комбинацию элементов ijCORF или ijUNIV .
Таким образом, учитывая особенности взаимодействия компонентов системы
управления, имеется возможность планировать работу исполнительных элементов
по времени реализации алгоритма и в зависимости от операционной обстановки
(наличия отказов оборудования и выхода контролируемой переменной hU за пре-
делы допустимых диапазонов изменения ее компонентов).
Библиотека имитационных моделей элементов
системы управления ВТПП
Изложенный выше алгоритм выполнения исполнительных элементов и эле-
ментов синхронизации СУ ВТПП позволяет применить агрегатный способ их
имитации [5]. Агрегаты взаимодействуют с помощью сигналов активизации и
операторов пуска, продолжения или останова. Одиночные алгоритмы выполнения
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 61
агрегатов системы управления определили возможность представления множест-
ва элементов каждого типа множеством версий следующих агрегатов:
ijAGISPO — имитатор исполнительных элементов управления ijISPF ,
ijCORF , ijLICV , ijUNIV , ijINDS ;
iAGSINCH — имитатор элементов синхронизации iSLAST и iSFIRST ;
iAGINSU — имитатор элементов iINSU0 , инициирующих входные воздейст-
вия на систему управления;
jAGFISU — имитатор элементов 0jFISU , имитирующий завершение цикла
функционирования системы управления.
Данные агрегаты представляют собой реентерабельные программы имитаци-
онных моделей элементов системы управления ВТПП. Каждой версии агрегатов в
базе данных имитационной модели ( BDIM ) отведено место для хранения пара-
метров элементов системы управления, сбора статистики имитации и определения
откликов моделирования. Доступ к элементам базы данных BDIM осуществляет-
ся по индексам соответствующих агрегатов имитационной модели. В базе данных
BDIM хранится информация следующих типов:
— запросы ресурсов ВТПП ijOVZ (имеющие вероятностную природу и пред-
ставляющие собой функции распределения) агрегатами-имитаторами функций
исполнительных элементов;
— детерминированные запросы ресурсов ijODZ (представляющие собой
множество списков) агрегатами имитационной модели системы управления;
— надежностные характеристики функционирования оборудования ijONZ ,
обеспечивающего реализацию технологического процесса производства;
— оперативная информация ijOZR текущего заказа ресурсов ВТПП агрегатом
с индексом ij в l-й реализации процедуры Монте–Карло, формируемого на осно-
ве соответствующих функций распределения;
— статистика ijOST использования агрегатом с индексом ij ресурсов и обо-
рудования;
— отклики ijOTL имитационного моделирования динамики управления
ВТПП.
Выделение места в BDIM под копии агрегатов с индексом ij позволило ис-
пользовать по одной реентерабельной программе для агрегатов каждого типа. Та-
ким образом, для имитации динамики управления ВТПП достаточно библиотеки,
состоящей из пяти реентерабельных программ агрегатов и управляющей про-
граммы моделирования (УПМ). Имитационная модель системы управления
ВТПП представляет собой подмножество реентерабельных программ-имитаторов
функций агрегатов { ijAGISPO , iAGSINCH , iAGINSU , jAGFISU }, работающих в
совокупности с соответствующей базой данных модели. Данные агрегаты пред-
ставляют собой ядро имитационной модели и являются уникальной частью сис-
темы управления ВТПП. Кроме того, в состав имитационной модели входят
управляющая подсистема моделирования, программа сбора и накопления стати-
В. С. Смородин
62
стики имитации ( STATISTPS. ), блок начального запуска агрегатной имитацион-
ной модели ( BZAPS ), блок завершения имитации ( BZAVR ), процедура Монте–
Карло ( MONTEKPR. ), блок анализа статистики имитации ( BANAZ ), блок визуа-
лизации результатов имитации ( BVIZUAL ) и блок принятия решений ( BRESH ).
В качестве входной информации для блока BZAPS используются таблицы,
характеризующие состав и структуру имитационной модели системы управления
ВТПП:
— таблица TZAPR запросов ресурсов каждой версией элементов системы
управления;
— таблица TCOMM коммутации агрегатов, которая формируется согласно
блок-схеме СУ ВТПП;
— таблица TSOST структуры имитационной модели и состава элементов
системы управления, имитационную модель которой необходимо формировать.
Объединение уникальной FORMUNICPS. и универсальной FORMUNIVPS.
частей в имитационной модели системы управления осуществляет одна из версий
системы автоматизации моделирования вероятностных технологических процес-
сов производства, реализующая агрегатный способ имитации. Система автомати-
зации моделирования (САМ) состоит из следующих компонентов:
— библиотеки агрегатов-имитаторов функционирования перечисленных ра-
нее агрегатов ( AGREGLIB. );
— подсистемы, реализующей формирование уникальной части имитацион-
ной модели ( FORMUNICPS. );
— подсистемы реализации имитационных экспериментов согласно процеду-
ре Монте–Карло ( MONTEKPR. );
— подсистемы формирования универсальной части имитационной модели
системы управления ( FORMUNIVPS. ), осуществляющей взаимодействие с бло-
ками BZAPS , BZAVR , MONTEKPR. ;
— информационной базы системы моделирования ( IBDSM ), в которую вхо-
дят все библиотеки BDIM ;
— подсистемы обработки файлов статистик имитации ( OFSTPS. ), в которую
входят блок визуализации результатов имитации ( BVIZUAL ), блок принятия ре-
шений ( BRESH ) и блок анализа статистики имитации ( BANAZ ).
Функциональное назначение подсистем и библиотеки САМ ВТПП состоит в
следующем. Для построения вариантов имитационной модели системы управле-
ния достаточно использовать четыре универсальные подпрограммы реализации
алгоритмов агрегатов, которые одновременно обслуживают все элементы имита-
ционной модели. За время одной реализации динамики управления ВТПП проце-
дура MONTEKPR. инициирует управляющую программу моделирования, которая
поочередно активизирует в режиме квазипараллельной работы универсальные
подпрограммы агрегатов четырех типов, согласно алгоритмам их выполнения и
таблице коммутации агрегатов. Состав и структура варианта имитационной моде-
ли системы управления приведены на рис. 2. Программы агрегатов-имитаторов
состоят из активностей. Подпрограмма каждой активности, реализованной на
языке Object Pascal в среде системы программирования Delphi 5.0, завершается
операторами сбора статистики и взаимодействия агрегатов, которые реализуются
УПМ. Сбор статистики стандартизован с помощью операторов сбора статистики.
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 63
S
M
O
D
L
IB
.
B
D
IM
INPUT
УПМ
A
G
R
E
G
L
IB
.
IB
D
S
M
i
A
G
S
IN
C
Hij
A
G
IS
P
O
m
A
G
IN
S
U
n
A
G
F
IS
U
B
Z
A
V
R
M
O
N
T
E
K
P
R
.B
Z
A
P
S
S
T
A
T
IS
T
P
S
.
B
A
N
A
Z
B
R
E
S
H
B
V
IZ
U
A
L
IN
T
P
R
.
и
н
ф
о
рм
ац
и
о
н
н
ы
е
св
яз
и
у
п
р
ав
л
яю
щ
и
е
св
яз
и
вы
зо
вы
п
р
о
гр
ам
м
и
п
о
д
си
ст
ем
С
А
М
В
Т
П
П
U
N
IC
F
O
R
M
P
S
.
U
N
IV
F
O
R
M
P
S
.
O
F
S
T
P
S
.
Р
и
с.
2
.
С
о
ст
ав
и
ст
р
у
кт
у
р
а
ва
р
и
ан
та
и
м
и
та
ц
и
о
н
н
о
й
м
о
д
ел
и
си
ст
ем
ы
у
п
р
ав
ле
н
и
я
В. С. Смородин
64
По каждому оператору сбора статистики в момент модельного времени 0t соби-
рается информация о состояниях агрегатов и текущем состоянии BDIM . После
фиксации статистики формируются соответствующие записи в файл статистики,
который представляет собой протокол взаимодействия агрегатов в ходе имитации
СУ ВТПП. Блок BZAPS организует ввод исходной информации о структуре ими-
тационной модели системы управления, проверку правильности описания струк-
туры системы, определяет ошибки коммутации агрегатов, проводит заполнение
BDIM исходной информацией, верификацию функционирования вновь состав-
ленных имитационных моделей, организацию доступа и их хранение в библиоте-
ках AGREGLIB. и SMODLIB. .
Ввод исходной информации о системе управления осуществляется операто-
рами описания исходной информации в следующей последовательности шагов.
На первом шаге указывается количество агрегатов синхронизации, задается со-
став и структура агрегатов синхронизации iAGSINCH . Для каждого агрегата ука-
зывается число входов ( ia ) и выходов ( ib ). Структура каждого кустового выхода
определяется оператором структуры, в котором указывается номер выхода ( ik ),
тип кустового выхода ( itype ), количество разветвлений ( kid ), информация для
формирования сигналов на l-х разветвлениях выхода ik . Ориентируясь на непро-
фессионального в области программирования пользователя, операторы структуры
агрегатов синхронизации задаются в диалоговом режиме с использованием окон-
ной технологии системы визуального проектирования графического пользова-
тельского интерфейса Delphi 5.0. База данных агрегатов синхронизации формиру-
ется до тех пор, пока не будут идентифицированы параметры всех агрегатов
iAGSINCH . На втором шаге формируется база данных агрегатов-исполнителей в
произвольном порядке описания этих агрегатов. Вначале указывается состав ре-
сурсов каждого типа и принадлежность к агрегатам-исполнителям оборудования
индивидуального ( 1rOBIN ) и общего ( 2rOBOP ) пользования. Затем для каждого
агрегата-исполнителя указывается состав заказываемых ресурсов. Для функций
распределения стандартным образом описываются тип распределения и значения
его параметров. Детерминированные запросы ресурсов определяются в виде соот-
ветствующих списков, элементами которых являются номера устройств, исполни-
телей, бригад исполнителей и номера индивидуальных ресурсов ВТПП. Операция
ввода в BDIM продолжается до тех пор, пока не будет занесена информация обо
всех агрегатах-исполнителях системы управления. На третьем шаге в базу дан-
ных BDIM вводится информация о начальных размерах общих ресурсов или
размерах места на устройствах оборудования общего пользования. Указываются
также значения надежностных характеристик устройств оборудования общего и
индивидуального пользования. При этом задаются функции распределения дли-
тельностей нахождения оборудования ВТПП в состояниях безотказной работы,
восстановления функционирования или ликвидации аварий. Указываются также
вероятности avrp появления аварий при отказах функционирования оборудования.
На четвертом шаге вводится начальный интегральный состав остальных ресур-
сов системы управления. С помощью оператора SINRES задаются количество
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 65
индивидуальных ресурсов ( 3n ), исполнителей ( 5n ), бригад ( 6n ), состав начальных
размеров общих ресурсов ( 4n , 04V ), материалов ( 7n , 07mt ) и комплектующих из-
делий ( 8n , 08ko ).
Процедура MONTEKPR. включает в себя библиотеку процедур формирова-
ния случайных величин по функциям распределения; программу, реализующую
алгоритм организации статистических испытаний и вычисления оценок матема-
тических ожиданий и выборочных дисперсий; библиотеку подпрограмм реализа-
ции единичных жребиев. Подсистема STATISTPS. автоматизирует этап обработ-
ки статистики имитации ИМ СУ ВТПП. Блок визуализации BVIZUAL формирует
временные диаграммы использования ресурсов ВТПП, графики расхода материа-
лов, комплектующих изделий и финансовых средств предприятия за время ими-
тации. Блок принятия решений BRESH включает в себя набор подпрограмм, реа-
лизующих алгоритмы принятия решений в условиях неопределенности и риска, а
также принятие решений в многокритериальных задачах производства. Перечис-
ленные блоки представляют собой подсистему OFSTPS. обработки файлов ста-
тистики имитации. Ядро имитационной модели FORMUNICPS. состоит из четы-
рех типов агрегатов ( ijAGISPO , iAGSINH , iAGINSU , jAGFISU ), управляющей
программы моделирования, базы данных BDIM имитационной модели и подсис-
темы STATISTPS. сбора и накопления статистики имитации.
Технология использования системы автоматизации
моделирования ВТПП
Технология использования версии системы автоматизации моделирования
ориентирована на специалиста, не являющегося профессионалом по программи-
рованию и имитации. Поэтому не предполагаются изменения состава и структуры
агрегатов пользователем системы. Построение и использование имитационной
модели системы управления реализуется в следующей последовательности эта-
пов.
На этапе 1 задается структура имитационной модели системы управления с
помощью операторов подсистемы FORMSGPS. .
На этапе 2 осуществляется подготовка исходной информации моделирова-
ния. Основную сложность в подготовке исходной информации составляет опре-
деление вероятностных характеристик исполнительных элементов. Если аналити-
ческий вид аппроксимирующих функций распределения найти не удается, ис-
пользуется табличная форма их представления (стандартная для всех типов пара-
метров агрегатов). В тех случаях, когда это возможно, с целью получения исход-
ной информации для последующей проверки адекватности имитационной модели
реальной системе управления, реализуется натурный эксперимент. Для парамет-
ров СУ ВТПП, измерение значений которых трудно организовать, используются
экспертные оценки.
На этапе 3 осуществляется верификация базового варианта имитационной
модели. Задается начальный состав ресурсов, материалов, исполнителей и имита-
торов оборудования. После задания числа реализаций имитационных эксперимен-
В. С. Смородин
66
тов (N), формулирования условий фиксации и обработки статистики имитации
формируются управляющие справочники и массивы хранения статистики имита-
ции, используемые в дальнейшем при организации имитационного эксперимента
(ИЭ). Пользователю предоставляется возможность в режиме «пошагового» вы-
полнения просмотреть переходы агрегатов из состояния в состояние с автомати-
ческим документированием этого просмотра. В результате автоматизируется про-
цесс верификации имитационной модели, хотя и не существует формальных спо-
собов верификации сложных систем.
На этапе 4 реализуются процедуры испытания и исследования свойств ими-
тационной модели. Обычно это многошаговая процедура использования стан-
дартных методик испытания сложных систем, в процессе которой реализуются
следующие этапы испытания.
Вначале оценивается ошибка откликов имитации { kY }. Определяется длина
переходного периода имитации ( ppT ), означающая максимальное время стабили-
зации того отклика модели, который позже всех переходит в установившееся со-
стояние. Далее имитационная модель проверяется на «устойчивость», т.е. на от-
сутствие такой ситуации, когда у любого из откликов kY возможен рост амплиту-
ды его изменения с ростом модельного времени 0t из-за появления редких ситуа-
ций, имеющих место в реальной системе. Затем проверяется «чувствительность»
откликов к изменениям параметров имитации. Каждая составляющая векторов
параметров модели { kX } изменяется в диапазоне от минимального (
kX ) до мак-
симального (
kX ), остальные rX ( kr ) устанавливаются в середине интервалов
значений их изменения. Вычисляются приращения компонентов векторов откли-
ков hY в процентах. Если hY , то считают, что отклик имитационной модели
не чувствителен к вариациям параметра kY . Те параметры kX , изменения кото-
рых не влияют ни на один из откликов модели, можно в дальнейшем из рассмот-
рения исключить. Последним шагом этапа является проверка адекватности моде-
ли реальной системе управления. Исследователь должен определить отклик, ко-
торый в реальной системе выбирается в качестве контролируемого. При этом реа-
лизуется методика проверки адекватности, основанная на гипотезе о близости
средних значений h-го отклика ИМ и реальной СУ ВТПП по критерию Стьюден-
та.
На этапе 5 организуется серия имитационных экспериментов согласно про-
цедуре Монте–Карло, в которой каждый ИЭ представляет l-ю реализацию ИМ
системы управления. По окончании N экспериментов осуществляется усредне-
ние откликов hY и расчет дисперсий откликов hS по выборке откликов { hlY } каж-
дой реализации, где Nl ,1 .
На этапе 6 подсистема OFSTPS. анализирует статистику реализации ИЭ,
хранящуюся в базе данных IBDSM . Вторичная обработка статистики имитации
подсистемой STATISTPS. позволяет построить интегральные диаграммы и гра-
фики использования ресурсов и оборудования, по которым определяются диапа-
зоны расхода ресурсов в каждом варианте организации управления ВТПП. Вывод
графиков изменения статистик и откликов имитации стандартизован и осуществ-
Имитационное моделирование систем управления
вероятностными технологическими процессами производства
ISSN 1560-9189 Реєстрація, зберігання і обробка даних, 2008, Т. 10, № 2 67
ляется с помощью блока BVISUAL . На следующем шаге с помощью блока
BRESH осуществляются анализ результатов имитации вариантов организации
системы управления и принятие проектных решений. Для этой цели реализуются
известные методики анализа данных на основе классических критериев принятия
решений в условиях неопределенности и риска.
Отметим, что технология имитации системы управления ВТПП определяет то
обстоятельство, что в файле статистики базы данных IBDSM хранятся два вида
статистики имитации: статистика исследования с помощью имитационной модели
каждого варианта системы управления и интегральная статистика функциониро-
вания всех вариантов организации СУ ВТПП. Эта статистика формируется в ходе
реализации серии из N экспериментов с ИМ путем N-кратного записывания в
файл статистики результатов имитации. Очевидно, что в файле содержится необо-
зримый объем информации, которую необходимо представить в удобном виде для
анализа динамики моделирования компонентов системы управления. При органи-
зации вторичной обработки файла статистики имитации решаются следующие
проблемы. Во-первых, это технология обработки выборок большого объема N
статистик реализации событий. По этим выборкам формируются функции рас-
пределения моментов срабатывания «спусковых» функций элементов синхрони-
зации и времен ожидания активизации этих элементов ( )( 01 tF i и )(2 ijliF ). В ре-
зультате все множество выборок статистик имитации заменяется соответствую-
щими функциями распределения. Во-вторых, решается проблема анализа множе-
ства графиков суммарного расхода ресурсов, поскольку количество замеров вре-
мени активизации элементов и интервалов времени ожидания их выполнения в
каждой реализации различно, значения статистик имитации могут существенно
отличаться, и в каждой реализации модели индивидуальны; при наложении гра-
фиков возникает ситуация, когда в каждой точке измерения формируется выборка
из N значений сумарного расхода ресурсов, и снова приходим к проблеме замены
этих выборок функциями распределения и вычисления оценок математических
ожиданий и выборочных дисперсий. В итоге графики суммарного расхода соот-
ветствующих ресурсов представляют собой функции, построенные по средним
значениям с указанием диапазонов их изменения. Аналогично решаются вопросы
анализа множества временных диаграмм использования ресурсов и оборудования
ВТПП.
Заключение
В работе рассматриваются новый подход к исследованию систем управления
для вероятностных технологических процессов с дискретным характером произ-
водства, в котором временные интервалы выполнения отдельных операций явля-
ются случайными величинами, а нарушение ритма производственного процесса
может стать причиной серьезной аварийной ситуации. Изложенный способ фор-
мализации систем управления вероятностными технологическими процессами
производства и имитация процессов управления технологическим циклом на ос-
нове новой версии агрегатной системы автоматизации имитационного моделиро-
вания [5] ориентирован на случаи, когда динамику функционирования систем
В. С. Смородин
68
управления можно описать на уровне элементов управления со сложной логикой
с использованием процедур метода Монте–Карло [6].
Исследование систем управления с помощью агрегатной системы автомати-
зации имитационного моделирования обеспечивает простоту их формального
описания и универсальную структуру получаемых имитационных моделей, а на-
личие методики верификации имитационных моделей технологических процессов
производства [7] дает возможность рассчитывать на перспективу дальнейшего
развития и применения данного подхода при проектном моделировании соответ-
ствующих объектов для различных предметных областей.
1. Гончаров А.Н., Максимей И.В., Смородин В.С. Управление резервированием и восстанови-
тельными операциями с помощью имитационного моделирования при возникновении отказов в
технологических процессах опасного производства // Проблемы управления и информатики. —
2007. — № 1. — С. 48–60.
2. Гончаров А.Н., Максимей И.В., Смородин В.С., Клименко А.В., Езерский Д.Н. Об одной ме-
тодике имитационного моделирования вероятностных технологических процессов производства //
Математичнi машини i системи. — 2008. — № 1. — С. 133–138.
3. Гончаров А.Н., Смородин В.С. Формализация технологических процессов опасного произ-
водства на основе теории принятия решений // Известия Гомельского гос. ун-та им. Ф. Скорины.
— 2005. — № 5 (32). — С. 23–26.
4. Смородин В.С. Методика контроля и принятия решений при имитационном моделирова-
нии технологических процессов опасного производства // Проблемы управления и информатики.
— 2006. —№ 5. — С. 79–91.
5. Смородин В.С. Агрегатная система автоматизации моделирования вероятностных техноло-
гических процессов производства // Математичнi машини i системи. — 2007. — № 1. — С. 105–
110.
6. Гончаров А.Н. Особенности имитационного моделирования управляемых технологических
процессов опасного производства // Известия Гомельского гос. ун-та им. Ф. Скорины. — 2007. —
№ 5 (44). — С. 101–105.
7. Смородин В.С. Верификация имитационных моделей технологических процессов произ-
водства с переменой структурой // Математичнi машини i системи. — 2007. — № 3, 4. — С. 162–
167.
Поступила в редакцию 17.07.2007
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-7568 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1560-9189 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:03:35Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут проблем реєстрації інформації НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Смородин, В.С. 2010-04-02T12:28:27Z 2010-04-02T12:28:27Z 2008 Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства / В.С. Смородин // Реєстрація, зберігання і оброб. даних. — 2008. — Т. 10, № 2. — С. 53-68. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1560-9189 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7568 007; 681.3 Рассмотрены особенности систем управления вероятностных процессов производства, определена актуальность имитационного моделирования таких объектов исследования. Предложена формальная модель управления вероятностными технологическими процессами производства. На основании учета особенностей взаимодействий компонентов таких систем управления предложена библиотека имитационных моделей элементов управления процессами. Изложена технология использования системы автоматизации моделирования технологических процессов производства. Розглянуто особливості систем керування ймовірних процесів виробництва, визначено актуальність імітаційного моделювання таких об’єктів дослідження. Запропоновано формальну модель керування ймовірними технологічними процесами виробництва. На основі врахування особливостей взаємодії компонентів таких систем керування запропоновано бібліотеку імітаційних моделей елементів керування процесами. Викладено технологію використання системи автоматизації моделювання технологічних процесів виробництва. Features of control systems for probabilistic processes of manufacture are considered, urgency of imitating modeling of such objects of research is determined. The formal model of management for probabilistic technological processes of manufacture is offered. On the basis of the account of features of components interactions of such control systems the library of imitating models of process management elements is offered. The technology of using a modeling automation system for technological manufacture processes is presented. ru Інститут проблем реєстрації інформації НАН України Реєстрація, зберігання і обробка даних Інформаційно-аналітичні системи обробки даних Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства Технологія імітаційного моделювання систем керування ймовірними процесами виробництва Technology of Simulation Modeling of Control Systems for Probabilistic Processes of Manufacture Article published earlier |
| spellingShingle | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства Смородин, В.С. Інформаційно-аналітичні системи обробки даних |
| title | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| title_alt | Технологія імітаційного моделювання систем керування ймовірними процесами виробництва Technology of Simulation Modeling of Control Systems for Probabilistic Processes of Manufacture |
| title_full | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| title_fullStr | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| title_full_unstemmed | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| title_short | Имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| title_sort | имитационное моделирование систем управления вероятностными технологическими процессами производства |
| topic | Інформаційно-аналітичні системи обробки даних |
| topic_facet | Інформаційно-аналітичні системи обробки даних |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/7568 |
| work_keys_str_mv | AT smorodinvs imitacionnoemodelirovaniesistemupravleniâveroâtnostnymitehnologičeskimiprocessamiproizvodstva AT smorodinvs tehnologíâímítacíinogomodelûvannâsistemkeruvannâimovírnimiprocesamivirobnictva AT smorodinvs technologyofsimulationmodelingofcontrolsystemsforprobabilisticprocessesofmanufacture |