close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Принципы моделирования декомпозиции агрегирования и координации в системных исследованиях технологических комплексов..pdf

код для вставкиСкачать
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
2010
№ 161
УДК 681.5.017
ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ, ДЕКОМПОЗИЦИИ,
АГРЕГИРОВАНИЯ И КООРДИНАЦИИ В СИСТЕМНЫХ
ИССЛЕДОВАНИЯХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Б.К. ГРАНКИН, В.В. КОЗЛОВ, И.В. ЛЫСЕНКО
Изложены принципы системных исследований технологических комплексов (ТК), включающих объекты с
различной физической природой элементов и процессов функционирования.
Ключевые слова: технологические комплексы, системная концепция, моделирование, синтез, анализ, декомпозиция, агрегирование, координация.
Введение
В современной промышленной экономике, в том числе в авиационной, космической и оборонной отраслях, важное место занимают уникальные объекты с многоуровневой иерархической структурой и различной физической природой взаимосвязанных элементов и процессов.
Каждый элемент иерархии и объект в целом могут быть представлены как «многополюсный» с
произвольным количеством «входов» (источников) и «выходов» (потребителей). Смысл функционирования таких объектов состоит в передаче от источников к потребителям и преобразовании свойств потоков вещества, энергии и/или информации. Особенности таких объектов, называемых далее «технологическими комплексами» (ТК), состоят в следующем.
Уникальность комплексов состоит в том, что они создаются по специальным проектам,
эксплуатируются в конкретных условиях, поэтому для каждого из них на этапе проектирования
отсутствуют статистические данные об эксплуатации, позволяющие полезно использовать вероятностные модели и методы для прогнозирования надежности, безопасности и в целом эффективности их жизненного цикла.
Системные исследования таких ТК при их создании и эксплуатации неизбежно связаны с
необходимостью координации критериев и моделей при решении задач синтеза, анализа и оптимизации, выполнении процедур многоуровневого математического моделирования, декомпозиции и агрегирования разнородных объектов в рамках единой специализированной методологии. Как заметил академик А. Минц в предисловии к [1] , «…практически получается, что задача проектирования каждой новой сложной системы должна ставиться как научная проблема,
требующая своей специализированной методологии, включающей не менее специализированный математический аппарат». Таким образом, при создании каждого ТК возникает необходимость использования принципов конструктивной координации требований и аспектов исследования, согласованных по метрикам показателей и агрегированных моделей. Далее рассматриваются специальные методологические принципы, направленные на выявление общих (для разнородных объектов) аспектов исследований и позволяющие воссоединять решение упомянутых
ранее задач путем применения единых принципов, методов, моделей и алгоритмов.
1. Системная концепция
При разработке конкретных методов исследований ТК (моделирования, анализа, синтеза и
оптимизации) помимо общесистемных методологических принципов [2,3,4,5] целесообразно
руководствоваться специализированными методологическими положениями, называемыми далее принципами методического единства и сквозного исследования.
Принцип методического единства состоит в необходимости моделирования объекта исследования на основе единой системной концепции, комплекса алгоритмически взаимосвязанных моде-
Принципы моделирования, декомпозиции, агрегирования и координации…
125
лей, методик и процедур для обоснования структурно-функциональных, режимных и конструктивно-компоновочных характеристик, а также для прогнозирования выходных показателей ТК.
Принцип сквозного исследования состоит в необходимости рассмотрения при проектировании всех этапов жизненного цикла (от формулировки замысла до утилизации после снятия с
эксплуатации), влияющих на достижение цели.
Принципы методического единства и сквозного исследования реализуются использованием
для координации моделей объектов различной физической природы и различных уровней иерархии концепции управляющей системы (по С.В. Яблонскому [6]). В соответствии с этой концепцией каждый физический объект может быть рассмотрен как управляющая система, оказывающая в процессе своего функционирования воздействие на другой объект, рассматриваемый
как объект управления. По определению, данному автором концепции, «управляющая система
– это некоторый математический объект, характеризующий то общее, что содержится в соответствующих физических управляющих системах». Для каждой физической управляющей системы независимо от физической природы элементов и процессов можно построить математическую управляющую систему, схемно-функциональные характеристики которой без искажения
наглядно изображают схемно-функциональные характеристики исходной физической системы.
2. Системы потокораспределения
Для реализации упомянутой концепции предлагается рассматривать ТК и их разнородные
компоненты с единых позиций как «системы потокораспределения» (СПР), смысл функционирования которых состоит в передаче «рабочей среды» как объекта управления от источников
(входов) к потребителям (выходам) и преобразовании ее свойств. Под рабочей средой (РС) понимается субстанция, рассматриваемая в вещественном, энергетическом, информационном или
виртуальном представлении и описываемая соответствующими параметрами состояния. В зависимости от физической сущности рабочей среды и рассматриваемых свойств компоненты ТК
будем условно называть механическими, гидравлическими, пневматическими, электрическими,
энергетическими, информационными и виртуальными СПР. К ним можно отнести конструкции, механизмы, гидравлические и пневматические системы силового привода и подачи топлива, водоснабжения, газоснабжения, пожаротушения, теплоснабжения, терморегулирования,
нейтрализации, электрические системы контроля, управления, связи и др. Действительно, механические системы передают энергию в виде продольных или вращательных силовых воздействий от двигателей, при этом в кинематических звеньях системы энергия меняет формы (например, энергия поступательного движения поршня переходит во вращательное движение вала). В
гидравлических и пневматических системах жидкости или газы передаются из емкостей хранилищ в двигатели, в рабочие цилиндры исполнительных механизмов, к другим потребителям,
при этом изменяются параметры РС (температура, давление, плотность). В электрических системах электроэнергия передается от источников к потребителям, при этом преобразуются параметры потока (вид тока, напряжение). В сборочно-монтажных (производственных или ремонтных) комплексах потоки исходных материалов, полуфабрикатов и готовых изделий передаются
от пунктов хранения к пунктам выдачи, при этом преобразовывается состояние объекта производства (готовность сборки, степень завершенности технологического процесса или испытаний). Примерами виртуальных систем являются системы проектирования, в которых проектная
информация преобразовывается от исходных данных (технического задания) через проектные
решения в готовый проект.
Из этого следует, что многие разноплановые ТК и их компоненты как объекты моделирования могут рассматриваться с единых позиций как СПР, поскольку структурное описание не зависит от физической природы объекта, а с функциональной точки зрения можно найти достаточно содержательные аналогии, позволяющие обеспечить конкретность и общность при формализации. Типовой состав и примеры функций и элементов СПР представлен в таблице.
Б.К. Гранкин, В.В. Козлов, И.В. Лысенко
126
3. Управление в ТК на этапах жизненного цикла
В рамках упомянутой выше системной концепции жизненный цикл [7] ТК может быть
представлен как иерархический процесс управления (рис. 1). В начале цикла (при проектировании) ТК представляется как объект управления для системы проектирования, преобразующей
проектную информацию (требования, проектные решения и завершенный проект), затем (при
производстве) - как объект управления для производственной системы, преобразующей физические среды и объекты (исходные материалы, полуфабрикаты и готовые изделия) и, наконец,
как организационно-техническая система эксплуатации, включающая персонал, объекты и
средства эксплуатации. Вертикальные связи в этой схеме отражаются в виде воздействий
управляющих систем на объекты управления, а горизонтальные связи проявляются в том, что
состояние объекта управления на выходе из предыдущей (по жизненному циклу ТК) управляющей системы является входным для последующей.
4. Комплекс моделей ТК
Унифицированное математическое описание ТК и их компонент различных уровней иерархии представлено схемой на рис.2. В ней сформирован комплекс моделей и процедур перехода
от описания систем к описанию элементов и обратно путем декомпозиции и агрегирования. В
комплекс моделей включены следующие характеристики, модели и процедуры:
- характеристики системы, модели и характеристики элементов;
- модели системы М1,…,М6, описывающие структуру (М1), состояния (М2), алгоритмы функционирования (М3), связи параметров (М4), стационарные (М5) и переходные (М6) процессы;
- процедуры А1,…, А6 анализа, С1,…, С4 синтеза и Р1,…, Р6 расчета характеристик.
Модели М1структуры представляют собой математическое описание в виде графов (диаграмм, матриц, списков, кодов), где вершинам соответствуют элементы, а ребрам – связи элементов. Каждому элементу в общем случае ставятся в соответствие булева переменная, отражающая
условия «проводимости» для потоков РС, и многозначная логическая переменная, отражающая
условия преобразования параметров РС. Различным состояниям в ТК соответствуют пути в графе
структуры от источников к потребителям, поэтому модели М2 состояний описываются многозначными структурно-логическими функциями «проводимости» путей в графе структуры. Алгоритмы функционирования представляются как последовательности состояний и переходов между
ними, поэтому функциональные возможности ТК описываются в виде графов переходов, вершинами которых являются состояния, а дугами – логические функции переходов. Модели М3 алгоритмов описываются в виде деревьев графов переходов. Модели М4, М5 и М6 представляют собой уравнения связей, стационарных и переходных процессов соответственно.
Задачи синтеза и анализа можно представить в схеме на рис. 3 как переходы от одних характеристик и моделей к другим [8]. Задачи синтеза структуры включают в себя переход "сверхувниз" от требуемых характеристик системы к модели структуры, удовлетворяющей заданным
требованиям. Задачи анализа характеризуются обратным переходом "снизу-вверх" от описания
структуры и характеристик элементов к моделям функционирования и характеристикам системы.
Такая схема универсальна для переходов на любых уровнях иерархии. Если элемент в этой
схеме представить как систему путем его декомпозиции или систему представить как элемент
путем агрегирования, то может быть получена многоуровневая схема взаимосвязей моделей
элементов и систем различных уровней, объединенных процедурами вертикальных (между
уровнями) и горизонтальных (в пределах одного уровня) переходов.
Разработка методов выполнения перечисленных процедур для различных по физической природе объектов с учетом приведенных выше принципов позволяет привести в общие методологические рамки результаты системных исследований различных объектов. Это, на наш взгляд, будет
способствовать исключению параллелизма в использовании одних и тех же математических моделей и методов для прикладных направлений науки с различной объектовой ориентацией.
Принципы моделирования, декомпозиции, агрегирования и координации…
127
Конструктивная реализация изложенных принципов нашла отражение в методиках структурно-функциональных исследований (декомпозиции, агрегирования, синтеза и анализа) механических, пневмогидравлических и комбинированных СПР, представленных в [5, 8, 9, 10].
Заключение
Предложенные принципы системных исследований, моделирования и конструктивной
классификации задач синтеза и анализа структуры ТК позволяют координировать их совместные проектные и эксплуатационные исследования. При этом появляется возможность обобщать
накопленный опыт проектных исследований (синтеза и оптимизации) и эксплуатационных задач (анализа и обеспечения работоспособности) объектов различной физической природы с
единых методологических позиций.
Таблица
Функции и элементы систем потокораспределения
Тип
систем
Объекты
управления
Теплоэнергетические
Тепловая
энергия
Электроэнергетические
Электроэнергия
Входы и
выходы
Источники
МеханиМехании потребическая
ческие
тели энерэнергия
гии
Жидкость,
Пневмогаз, двухгидравлиШтуцеры
фазная
ческие
среда
Информационные
Производственные
Комбинированные
Носители
информации
Полуфабрикаты,
продукция
Объекты
эксплуатации
Примеры элементов управляющей системы
АккумуКоммуПреобра- КоммуПримеры
ляторы
таторы
зователи никации
Упругие
Муфты, ко- Редукто- Силовые
элементы
Мехаробки пере- ры, кули- элемен(пружинизмы
дач…
сы…
ты
ны)…
Насосы
Баки, наКлапаны,
дроссели, Трубо- Силовые
копители,
вентили,
регулято- проводы приводы
цистерны
краны
ры
Источни- Тепловые Краны, венТеплообки и по- аккумуля- тили, кламенники
требители
торы
паны…
Трубо- Тепловые
проводы
сети
ИсточниЭлектро
ТрансЭлектроки и по- аккумуляРеле
формато- Кабели
станции
требители
торы
ры
Абонент- УстройРеле,
Кодеры, Провод- Системы
ские
ства паключи
декодеры
ники
связи
пункты
мяти
Пункты
Склады, Диспетчер- ТехнолоСистемы
Трансприема и накопите- ские пунк- гические
производпортеры
выдачи
ли
ты
участки
ства
ИсточниПланы
ЭксплуаСистемы
СооружеТрански и повзаимодей- тационные
эксплуания
порт
требители
ствия
операции
тации
128
Б.К. Гранкин, В.В. Козлов, И.В. Лысенко
Рис. 1. Система иерархического управления жизненным циклом ТК
Принципы моделирования, декомпозиции, агрегирования и координации…
Рис. 2. Комплекс моделей двухуровневого описания ТК
129
Б.К. Гранкин, В.В. Козлов, И.В. Лысенко
130
ЛИТЕРАТУРА
1. Конторов Д.С., Голубев-Новожилов Ю.Н. Введение в радиолокационную системотехнику. - М.: Сов. радио, 1976.
2. Гуд Г.Х., Макол Р.Э. Системотехника. - М.: Сов. радио, 1962.
3. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем. - М.: Мир,1978.
4. Резников Б.А. Системный анализ и методы системотехники (методология системных исследований). МО
СССР, 1990.
5. Лысенко И.В. Анализ и синтез сложных технических систем. - М.: Воениздат, 1995.
6. Яблонский С.В. Основные понятия кибернетики // В сб.: Проблемы кибернетики. - М., 1959. - Вып.2.
7. 2.1. ГОСТ РВ 15.004-2004.
8. Бирюков Г.П., Гранкин Б.К., Козлов В.В., Соловьев В.Н. Основы проектирования ракетно-космических
комплексов. - СПб.: Алфавит, 2002.
9. Воробьев А.М.,Степанов М.И., Гранкин Б.К. Комплексы заправки ракет-носителей и космических аппаратов. - СПб.: ОМ-Пресс, 2004.
10. Гранкин Б.К., Голиков И.О. Структурные методы проектирования агрегатов технологического оборудования. – СПб.: ЛВИКА им. А.Ф. Можайского, 1996.
PRINCIPLES OF MODELING, DECOMPOSITION, AGGREGATION AND COORDINATION
IN SYSTEM RESEARCHES OF TECHNOLOGICAL COMPLEXES
Grankin B.K., Kozlov V.V., Lysenko I.V.
Principles of system researches of technological complexes (TC), including objects with the various physical nature of
elements and functioning processes are stated. Classification of functional properties TC from a position of the uniform
system concept is resulted. The generalized scheme of mathematical modeling, synthesis and analysis TC is developed at
formation of requirements to created objects, designing and operation.
Key words: technological complexes, the system concept, modeling, synthesis, the analysis, decomposition, aggregation, coordination.
Сведения об авторах
Гранкин Борис Константинович, 1936 г.р., окончил ЛК ВВИА им. Можайского (1960), ведущий
научный сотрудник Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук, доктор технических наук, профессор, область научных интересов – структурнофункциональные методы исследования, надежность и отказоустойчивость, диагностика технического
состояния сложных систем.
Козлов Владимир Владимирович, 1953 г.р., окончил ЛВИКА им. Можайского (1971), ведущий
научный сотрудник Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук, доктор технических наук, профессор, область научных интересов – теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем.
Лысенко Игорь Владимирович, 1954 г.р., окончил ЛВИКА им. Можайского (1971), заведующий
лабораторией Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации Российской академии наук,
доктор технических наук, профессор, область научных интересов – моделирование технических систем,
информационные технологии интеллектуальной поддержки принятия решений.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа