Модели и алгоритмы информационной системы управление энергосбережением

III. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА.


3.1. Системный анализ современного состояния проблем разработки информационных систем

Любую многоуровневую сложную систему мы будем рассматривать как совокупность объектов (элементов, подсистем и т.д.), предназначенную для выполнения некоторого определенного вида работ или решения достаточно четко очерченного класса задач. В соответствии с этим процесс функционирования сложной системы представляется как совокупность действий ее элементов, подчиненных единой цели [20, 21]. Управление как совокупность целенаправленных действий реализуется в соответствии с целью функционирования сложной системы и принципами принятия решений в кон­кретных ситуациях. Управляющие воздействия формируются на основе накоп­ленной и функционирующей в системе управления информа­ции, а также сведений, поступающих по каналам прямой и об­ратной связи из внешней среды. Таким образом, важнейшие функции любой системы управления – полу­чение информации, выполнение процедур по ее обработке с по­мощью разработанных методов, моделей, алгоритмов и программ, формирование на основе полученных сведений управленческих решений, определяющих дальнейшее поведение системы [22, 23, 24].

Для выработки в сложных производственных системах эффек­тивных управляющих воздействий необходимо, наряду с созда­нием соответствующих методов, моделей и алгоритмов управления, переработать значительные объемы разнообразной информации, поэтому в управлении сложными производственными объектами используются различные виды автоматизированных, информаци­онных систем [25, 26, 27].
До настоящего времени продолжались развитие и создание автоматизированных систем: научных и производственных иссле­дований и испытаний; автоматизированных систем общезаводс­кого управления, ориентированных на автоматизацию основных функций управления производственным объединением, предприя­тием; ИС отдельными производствами, цехами, участками, гибких производственных систем; автоматизированных систем управле­ния технологическими процессами, которые совместно с совре­менным высокопроизводительным комплексом основных и вспомогательных агрегатов и машин образуют автоматизиро­ванный технологический комплекс; системы автоматизированного проектирования конструкторского и технологического назначения, автоматизированных систем для комбинированного организаци­онного и технологического управления и др. Существующие ИС оперативного управления предназначе­ны для решения задач обработки данных, автоматизации управленческих работ, выпол­нения поиска информации, а также решения отдельных прик­ладных задач, основанных, в том числе на методах искусственного интеллекта [28, 29, 30].
Несогласованность целей, задач, моделей этих автономных автоматизированных и ИС, отсутствие совместимости, интеграции их технического, программного и информационного обеспечения, являющихся органическими частями единой системы управления, не позволили добиться в этом случае системного подхода. Объек­тивно существующие трудности учета и анализа многочисленных факторов, характеризующих процесс управления сложными произ­водственными комплексами, могут привести к нерациональному использованию природных, материальных, энергетических, финан­совых и трудовых ресурсов, несогласованности работы отдельных звеньев управления, неэффективным способам координации и регулирования производственных процессов. Поэтому нынешний этап развития ИС характеризуется объединением автономных функционирующих подсистем в единую интегрированную систему с использованием локальной вычислительной сети программно-информационных интерфейсов, распределенной сети баз знаний и баз данных. Главная задача при этом рациональное использование глобальных и локальных информационных и вычислительных ресурсов и механизмов рассуждения для достижения согласо­ванной координации обеспечивающей достижение глобальных целей [31, 32, 33].
Предприятия сложных производственных комплексов, в част­ности нефтегазовой промышленности, распределены в геогра­фическом отношении, их производственные подразделения нахо­дятся на большом удалении друг от друга, но обязаны коопе­рироваться и эффективно координировать свою производственно-хозяйственную деятельность. При создании систем управления сложными производствами возникает проблема обеспечения увеличения объема продукции, оптимальной производительности, минимизации производственных затрат и необходимой гибкости производства с учетом ограничений на ресурсы. Это связано с двумя главными факторами: сложностью производства и неопре­деленностью среды его функционирования.
Сложность производственных комплексов, обусловленная большим числом пространственно-распределенных технологичес­ких установок, оборудования и производственных процессов, многочисленными, зачастую, прямыми физическими взаимосвя­зями между ними, тесной взаимозависимостью технологических, плановых и организационно-экономических решений, требует решения комплекса задач, которые распределяются (специализи­руются) между различными подразделениями. Дальнейшее уве­личение грануляции задач, т.е. разбиение глобальных производ­ственных задач на более мелкие задачи, влечет за собой увеличение цены координации, т.е. значение распределенности задач опреде­ляет степень кооперации между задачами. Это относится как к распределению задач (знаний), так и физических ресурсов (обору­дования, персонала), являющихся двумя главными экономи­ческими ресурсами производства (предприятия) [34, 35, 36].
Современные производственные комплексы являются слож­ными, неопределенными, динамическими системами, функцио­нирующими в неточной распределенной среде. Для учета вышеуказанных характеристик производства требуется решить проблемы планирования и управления производством для адап­тации к среде и оптимизации параметров контроллера, управля­ющего производством. Сложность производства вынуждает осуществить распределение задач в гетерархическую горизон­тальную структуру, а неопределенность производственной среды – в иерархическую вертикальную структуру. Таким образом, слож­ность производства и неопределенность среды его обитания требуют создания распределенной иерархической системы управ­ления производством, т.е. обеспечения необходимой организации. Такая организация определяется, в основном, свойствами (особенностями) области применения.
Требования по повышению уровня организации производства, обеспечению координации деятельности всех подразделений про­изводственного объединения и предприятия можно удовлетворить только путем объединения всех функций управления в единую интегрированную систему управления.
В настоящее время в мире достаточно широко проводятся научно-исследовательские работы, связанные с проектированием и внедрением современных ИС сложными производственными комплексами. К настоящему времени разработано значительное число методов и алгоритмов управления сложными производ­ственными объектами и технологическими установками. В большинстве своем они обеспечивают приемлемые результаты и позволяют синтезировать эффективные системы управления. Включение в состав ИС этих систем различного функционального назначения, имеющих существенные различия по времени реакции и периодичности работы, выдвигает необходимость постановки и решения сложных задач координации взаимодействия компо­нентов ИС с различной периодичностью, организации информа­ционных потоков между уровнями управления, управления взаи­модействием технических средств различных уровней, объеди­ненных в комплексы и сети [37, 38]. В этой области особую роль приобретают задачи обеспечения надежности ИС, в том числе программного, информационного, технического. Создаваемые ин­тегрированные иерархические системы организационного и техно­логического управления предприятиями, объединениями должны быть направлены на реализацию взаимосвязанного комплекса функций управления во всех сферах хозяйственной деятельности предприятий (объединений), вплоть до рабочего места, с перио­дичностью управления, соответствующей реальному ходу произ­водственного процесса.
Однако во многих случаях, связанных с автоматизацией сложных производственных систем, функционирующих в условиях интенсивных возмущений, неточности и неопределенной апри­орной информации, непредсказуемых изменений характеристик сырья, нестационарности объектов управления, эти методы недос­таточно эффективны. В этой связи возникает настоятельная необходимость разработки новых конструктивных подходов и методов, которые позволяли бы учитывать специфику задач управления сложными производственными комплексами и более полно реализовывать потенциал системы управления [39, 40].
Комплексный анализ с критических позиций современного состояния проблемы разработки информационно-управляющих систем для промышленных предприятий с тенденций их дальней­шего совершенствования и модернизации свидетельствует о том, что общемировые процессы глобализации систем и повышение их открытости актуализировали в последние годы создание интег­рированных информационно-управляющих систем на промышлен­ных предприятиях, куда пришла глобальная интернетовская сеть, появились локальные и корпоративные вычислительные сети и где проводится модернизация производственно-экономических систем. Эти процессы инициировали запрос на комплексную информацию о различных аспектах производственно-технологической деятель­ности промышленных предприятий – той информации, которая необходима для обоснованного принятия управленческих решений [41, 42].
Среди сложных систем важное место занимают производ­ствен­ные системы. По мере усложнения производственного про­цесса, усиления связей предприятия с поставщиками и потреби­телями появилась необходимость в проведении исследований современного производства с целью повышения его эффектив­ности. Исследования производства начали проводиться относи­тель­но давно, но большей частью они носили механистичес­кий характер. Только с появлением групп исследования операций стал формироваться такой подход, с помощью кото­рого учитывались взаимодействующие факторы, связанные с различными сторонами производственной деятельности. Такой подход означал, что про­мышленное предприятие рассматривается как система определен­ного типа, а именно, как производственная система. Производ­ственная система обладает всеми ха­рактерными признаками сложной системы, описанными выше. Для нее свойственны сложный технологический процесс, отсут­ствие однозначных методов ведения производственного процес­са, большое количество связей с внешним миром, случайный ха­рактер части внутренних и внешних связей, инвариантность пред­ставления. Сложность технологического процесса связана с большим количеством взаи­мосвязанных элементов производствен­ной сети. Неоднозначность ведения производственного процесса влечет за собой многообразие конечного исхода и, следователь­но, непредсказуемость состояния системы. Современное производство характеризуется устойчи­выми, постоянными связями, но это обстоятельство не исключает возможности появления новых и отмирания старых связей. Такая эволюция структуры связей мо­жет быть вызвана как внешними, так и внутренними возмущени­ями. Все это приводит к необходимости рассматривать и вре­менной фактор: временной интервал, на протяжении которого параметры системы остаются неизменными.
Одной из самых существенных особенностей производ­ственной системы является возможность различного ее представ­ления. В за­висимости от цели исследования она может рассмат­риваться в различных аспектах: техническом, экономическом, информацион­ном и социальном. Существенные резервы повы­шения эффективности производ­ства заложены в сфере управления. Организация, являясь основой системы управления, включая функциональную, иерархическую декомпозицию, обеспечивает эффективные процессы принятия решений (трансформацию информации в действие) с помощью лиц принимающих решений (ЛПР). При этом процессы ПР определяются близостью решений от действий в реальном мире – производстве.
Основными действиями, выполняемыми разными ЛПР на разных уровнях, являются следующие: координирующие действия, нацеленные на поддержку согласованности решений, принятых различными ЛПР, участвующими в решении общей проблемы; планирование действия, нацеленного на распределение ресурсов (материальных, финансовых и др.) между производственными процессами для обеспечения заданной цели; управляющие дей­ствия, направленные на минимизацию отклонений между целевой и реальной деятельностями сложных производственных систем.
Все эти особенности промышленного предприятия как слож­ной системы предъявляют определенные требования к методам управления. Сюда относится возможность выделения предпочти­тельных вариантов управления из всего имеющегося их разнооб­разия. Система управления сложными производственными объек­тами должна также функ­ционировать в условиях некоторой неопределенности, когда инфор­мация о сложившейся ситуации не полна. Наконец, система имеет способность к адаптации, т. е. характеризуется свойством приспосабливаемости к новым усло­виям. В наилучшей степени эти требования могут быть удов­летворены при научном подходе к решению проблемы управления. Одной из форм такого решения являются ИС [43, 44].
Координация функций и задач, планирование последователь­ности действий для достижения общей цели производства, управ­ление производством для поддержания оптимального его пове­дения в реальных условиях, в частности, для производств, харак­теризуются следующими особенностями:
Функционирование ЛПР происходит в условиях неточности информации о состоянии производства, установок и процессов, неопределенности производственной среды, более адекватно характеризуемой нечеткой неопределенностью.
Изменчивость производственных ситуаций, динамичность знаний и данных, характеризующих состояние производства, требуют восстановления в реальном режиме баз данных и баз знаний, необходимых для нормального функционирования ЛПР. Проблема обучения системы планирования и управления производством при этом выходит на первое место.
Многие задачи планирования и управления сложным производством, в частности, диагностирование, выбор планов действий, управленческих решений, которые выполняются в условиях неточности и неопределенности, являются частично логическими, частично интуитивными, и требуют применения эвристических правил, методов моделирования и здравого смысла. Классические алгоритмические методы не являются подходящими для использования в данном случае.
ЛПР, как правило, декомпозируют решаемые проблемы на независимые или частично зависимые подпроблемы и разрешают конфликтующие цели методами обмена информацией между целями, основанными на знаниях. Часто эти цели определены неточно, интеграция множества видений с целью разрешения конфликтов между целями происходит в условиях неопреде­ленности.
Решатели задач (например, экспертные системы интерпрета­ции, диагностирования, планирования и др.), базы знаний, базы данных распределены по всему предприятию, производству, т.к. физические ресурсы (трудовые ресурсы, материалы, оборудование) декомпозированы пространственное в пределах предприятия. Уп­равление последними требует интеграции распределенной инфор­мации, принятия решений путем координации и кооперации среди баз знаний и решателей задач. Необходимо, чтобы система управ­ления позволяла распределять информацию, знания, опыт по всей иерархии организации и делала доступными их всем, кто нуждается в принятии решений. Основанные на знаниях и обучаемые по опыту модели производств, процессов, распределения ресурсов должны быть средствами (базами) интеграции по всей организации системы.
Интегрируя вышеперечисленные особенности планирования и управления сложным производством, можно заключить, что отвечающей современным требованиям системой управления является интегрированная информационная система планирования, мониторинга и оперативного управления сложными производ­ственными комплексами. Такая система определяется структурой, функциями и поведением, т.е. она состоит из взаимодействующих подсистем, выполняет задачи, достигает цели в условиях неточ­ности и неопределенности состояний производства в целом и его элементов.