Интегрированные автоматизированные системы управления. Введение

Содержание

Слайд 2

Технологические процессы нефтегазовой отрасли Особенности: Непрерывность газодинамических режимов Территориальная распределенность Сложность

Технологические процессы нефтегазовой отрасли
Особенности:
Непрерывность газодинамических режимов
Территориальная распределенность
Сложность (ЕСГ)

Экологическая привлекательность
Технологическая опасность процессов
Особенность управления:
иерархия оперативно-диспетчерских служб

добыча

транспортировка

хранение

распределение

переработка

Характеристика нефтегазовой отрасли

«Образование - это то, что остается, когда все выученное забыто»
Б.Ф.Скиннер (ХХ век )

Слайд 3

Тенденции развития АСУТП АСУТП Автоматизированные системы диспетчерского управления малолюдные технологии управления (локальными объектами) …

Тенденции развития АСУТП

АСУТП

Автоматизированные
системы диспетчерского
управления

малолюдные технологии
управления (локальными
объектами)


Слайд 4

Информационно- вычислительные системы и средства Тенденции развития АСУ ТП 1. Удаление

Информационно-
вычислительные системы
и средства

Тенденции развития АСУ ТП
1. Удаление ЛПР от объекта управления
2.

Интеграция кибернетических и информационных процессов
3. Расширение спектра задач на верхнем уровне за счет плохо формализуемых задач
Перевод решения задач нижнего уровня с автоматизированного на автоматическое управление
4. Расширение спектра функций диспетчера в человеко- машинной системе управления (учет технологического риска и др.)

АСУ ТП-многоуровневая человеко-машинная система

Диспетчер
Оператор

N
общая иерархия
проблем
2
Задача 1

Слайд 5

АСДУ -гетерогенная система. На уровне ОДУ осуществляются два важных для АСУТП

АСДУ -гетерогенная система.

На уровне ОДУ осуществляются два важных для АСУТП процесса:

интеграция (информации) и централизация (управления).
“АСДУ – это неоднородная (человеко-машинная) система управления технологическим процессом, интегрирующая на АРМе диспетчера профессиональные знания диспетчера с информационно-управляющей системой (ИУС), обеспечивающей автоматический сбор, передачу и отображение информации, а также автоматизирующей все требуемые расчетные процедуры и выполнение управляющих воздействий для достижения поставленной цели в соответствии с заданными критериями “.
Слайд 6

Уровни управления Подсистемы организационно экономического управления Диспетчерские службы SCADA-системы, АРМы-диспетчеров, комплексы

Уровни управления
Подсистемы организационно
экономического управления

Диспетчерские службы
SCADA-системы, АРМы-диспетчеров,
комплексы моделирования,

решения
режимно-технологических задач

САР, САУ, информационно-
измерительные технологии
Технологические объекты газовой
отрасли

Данные

Задания

Уровень ПХД Уровень автоматизированного управления Уровень автоматического управления

Управление

Слайд 7

Структура учебных факультетов РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина Экономика

Структура учебных факультетов РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Экономика и

управление

Право

Автоматика и вычислительная техника

Геология и геофизика нефти и газа

Разработка нефтяных и газовых месторождений

Проектирование, сооружение и эксплуатация систем трубопроводного транспорта

Химическая технология и экология

Инженерная механика

Недра

Конечный продукт

Слайд 8

Учебный план Математика (мат. анализ, теор. вероятности, дискретн. мат., мат. логика,

Учебный план

Математика
(мат. анализ, теор. вероятности,
дискретн. мат., мат. логика, численные методы)

Н/Г

технологии

ТАУ

Системный анализ
и
моделирование

Алгоритмические языки
и
программирование

Базы
данных

Методы
защиты
информации

Системы
реального
времени

Системы
искусственного
интеллекта

Проектирование
КИС

Сетевые
технологии

Естественные
науки
(физика, химия)

Моделирование
систем

Теор. основы
автоматизир.
управления

Теория
принятия
решения

Проектирование
АСОИУ

Я - специалист АСУ!

Слайд 9

Интегра́ция (лат. Integratio - «соединение») — процесс объединения частей в целое;

Интегра́ция (лат. Integratio - «соединение») — процесс объединения частей в целое;

классификация и определения в зависимости от контекста. Интеграция данных — объединение данных, находящихся в различных источниках и предоставление данных пользователям в унифицированном виде. Философское. Интеграция – сторона процесса развития, связанная с объединением в целое ранее разрозненных частей и элементов. С позиций управления. Ведет к повышению уровня целостности и организованности как в рамках уже сложившейся системы, так и при возникновении новой системы из ранее несвязанных элементов. В ходе процессов интеграции: - увеличивается объем информации; - повышается интенсивность взаимосвязей и взаимодействий; - надстраиваются новые элементы управления. Математическое. Связано с понятием интеграла, который представляет собой объединение по какому-то или каким-то признакам. Результат – новое структурное образование. Экономическая (политическая, социальная и др. виды ) интеграция. Интеграционный процесс –основа развития, эволюции.

Определение понятия интеграции

Слайд 10

Характеристики объектов и процесса интеграции Интеграционные процессы имеют место во всех

Характеристики объектов и процесса интеграции

Интеграционные процессы имеют место во всех областях

человеческой деятельности, так как деятельность человека направлена на прогресс (развитие).
Интеграция – свойство человеческого мозга, явно проявляющееся при формировании разума.
Процесс интеграции можно охарактеризовать как:
динамический, длительный; нелинейный; с возвратом; инновационный;
со скрытыми негативными последствиями; многофакторный; плохо формализуемый…
Математический аналог процесса интеграции –многомерный интеграл, где под интегралом нелинейная функция от значительного числа факторов из различных предметных областей, причем структура нелинейной функции –многоуровневая с большим числом явных и неявных обратных связей (как положительных, так и отрицательных).
Примеры.
Научные направления (кибернетика, синергетика, робототехника, системный анализ, интеллектуальные системы …..), творческая деятельность человека, Интернет, рабочая область,
Слайд 11

Информационные технологии искусственного интеллекта (ИИ) ИИ-программная система, имитирующая на компьютере мышление

Информационные технологии искусственного интеллекта (ИИ)
ИИ-программная система, имитирующая на компьютере мышление человека.
Объект

исследования ИИ:
- “все то, что еще не сделано в информатике”;
- решение плохо формализуемых задач.
Характерные особенности:
- использование информации в символьной форме (буквы, слова, знаки, рисунки), что отличает от традиционного представления данных в числовой форме;
- наличие выбора, т.е. недетерминизма.
Недетерминизм отражает свободу действия, т.е. существенную составляющую интеллекта. Наличие недетерминизма носит фундаментальный характер, так как отражает реальную ситуацию выбора между многими вариантами в условиях неопределенности.
Слайд 12

Примеры областей применения ИИ математика и автоматическое доказательство теорем восприятие и

Примеры областей применения ИИ

математика и автоматическое
доказательство теорем

восприятие и распознавание образов

игры

решение

повседневных задач
(например, представленных в
символьной форме и робототехника)
понимание естественного языка.
Слайд 13

ИИ синтезирует знания многих научных дисциплин: психологии (в первую очередь в

ИИ синтезирует знания многих научных дисциплин: психологии (в первую очередь

в связи с тем человеческий мозг остается обязательным объектом исследования в ИИ); -логики; -лингвистики; -биологии (модели передачи информации с помощью генов); -информатики (самоорганизующиеся системы, поиск в базах данных, автоматическое программирование); -медицины (помощь в диагностики); -теории образовании и обучении.
Слайд 14

Робототехника

Робототехника

Слайд 15

Этапы развития автоматизации управления технологическими процессами а) САР объект ИМ Д

Этапы развития автоматизации управления технологическими процессами

а) САР

объект

ИМ

Д

Регулятор

Человек

Технологический
процесс

САР,САУ,
телемеханика

Человек

Технологический
процесс

Многоуровневые
системы сбора,
обработки

и
передачи
информации
(типа SCADA)

Диспетчерские
службы

б) Автоматизация технологических объектов (без ЭВМ)

в) Автоматизированные системы управления (АСУ ТП)

Слайд 16

δ-функция δ-функция — есть сингулярная обобщенная функция. Введена английским физиком Дираком.

δ-функция

δ-функция — есть сингулярная обобщенная функция. Введена английским физиком Дираком.
Позволяет записать пространственную плотность

физической величины (масса, заряд, интенсивность источника тепла, сила и т. п.), сосредоточенной или приложенной в одной точке. Например, плотность точечной массы 1, находящейся в точке  а евклидова пространства Rn. Записывается с помощью  δ -функции в виде  δ(х-а).
δ -функция не является функцией в классическом смысле. Она определяется как обобщенная функция, т. е. как непрерывный  линейный функционал  на пространстве дифференцируемых функций
Определение
δ -функция определяется формальным соотношением
для любой непрерывной функции  f(x).
Сингулярность в философии - единичность существа, события, явления. Математическая сингулярность (особенность) — точка, в которой математическая функция стремится к бесконечности или имеет какие-либо иные нерегулярности поведения.
Понятие обобщённой функции даёт возможность выразить в математически корректной форме такие идеализированные понятия, как плотность материальной точки, точечного заряда, точечного диполя, (пространственную) плотность простого или двойного слоя, интенсивность мгновенного источника и т. д.
Слайд 17

Информационные технологии Пакеты прикладных программ (ППП). Базы данных. Текстовые редакторы. Настольные

Информационные технологии

Пакеты прикладных программ (ППП).
Базы данных.
Текстовые редакторы.
Настольные издательские системы.
Электронные таблицы.
Мультимедиа-технологии.
Case-технологии
Технологии искусственного

интеллекта (ИИ) и, в частности, экспертные системы (ЭС).
Электронный документооборот (корпоративные системы технического документооборота).
Глобальные и локальные сети.
Виртуальная реальность.
Телекоммуникационные технологии.
Технологи «клиент-сервер».
Компьютерное обучение.
SCADA и др.
Слайд 18

Иерархия основных компонентов системы «ДУ- технологический процесс»

Иерархия основных компонентов системы «ДУ- технологический процесс»

Слайд 19

Особенность современных научных проблем и условий; их решения. Интеграционные процессы –

Особенность современных научных проблем и условий; их решения. Интеграционные процессы – суть

эволюции. и др. Переход к инновационному подходу при внедрении достижений НТП. Качественно новые возможности, предоставляемые ИТ, в том числе и на моделирование (модель+программа). Проблемы носят интегральный характер и требуют для своего решения объединения знаний различных предметных областей.
Слайд 20

Основы системной интеграции Системный подход Открытые системы Интегрированные показатели Технология объектно- ориентированного проектирования Информационные технологии

Основы системной интеграции

Системный подход

Открытые
системы

Интегрированные
показатели

Технология объектно-
ориентированного
проектирования

Информационные
технологии

Слайд 21

Открытые системы Open Computing System OCS- модель открытых компьютерных систем Совместимость

Открытые системы

Open Computing
System OCS-
модель открытых
компьютерных систем

Совместимость
масштабируемость
переносимость
взаимодействие

Application-уровень приложений
Presentation-уровень представлений
Session-уровень соединений
Transport-транспортный уровень
Network-сетевой

уровень
Data LLC-логический канал
Link MAC-доступ к среде
Physical-физический уровень

Open System
Interconnection OSI-
модель взаимосвязи
открытых систем

Слайд 22

Протоколы и Интерфейсы Классификация по Признаки: уровням модели ISO/OSI Примеры основных

Протоколы и Интерфейсы

Классификация по Признаки:
уровням модели ISO/OSI
Примеры основных протоколов:
Novell, SNA,

DEC, TCP/IP
Internet, Apple Talk, OSI,
Banyan VINES

Прикладные

Транспортные

Сетевые

Протоколы и интерфейсы
нижних уровней модели OSI

Промышленные
Fieldbus-cети

Прочие

наименование
разработчик
стек
функции
область применения
примечание

Слайд 23

Система показателей оценки диспетчерского управления Система показателей оценки ОДУ Экономический показатель

Система показателей оценки диспетчерского управления

Система показателей
оценки ОДУ

Экономический
показатель

Экологический
показатель
Показатель надежности

функционирования АСДУ
Слайд 24

Надежность-фактор безопасности опасность-свойство, характеризующееся способностью наносить ущерб безопасность-свойство, характеризующееся способностью объекта

Надежность-фактор безопасности опасность-свойство, характеризующееся способностью наносить ущерб безопасность-свойство, характеризующееся способностью объекта препятствовать нанесению

ущерба или ограничивать его величину «приемлемый ущерб» -ущерб, превышение которого приводит к снижению уровня качества объекта ниже приемлемого значения Риск (R)-вероятность наступления заранее определенных нежелательных последствий, например, аварий с четко оговоренным ущербом. R =Вер{ущерб > допустимый ущерб}. ISO-9000 ИСО 9004-4-93 «общее руководство качества и элементы системы качества. Часть 4:руководящие указания по улучшению качества»
Слайд 25

Модели для оценки качества функционирования человека в информационно-управляющей системе (комплекс оценки

Модели для оценки качества функционирования человека в информационно-управляющей системе (комплекс оценки

качества – КОК).
Типовые процессы стандарта ISO/IEC 15288 “Системная инженерия – процессы жизненного цикла систем“ получили свое математическое описание (100 математических моделей).
Программный комплекс ”Человеческий фактор“ используются следующие модели:
“Анализ риска ошибок при контроле “;
“Анализ корректности выполнения функций обработки “;
“Анализ возможностей по мониторингу “;
“Анализ комплексного функционирования “.
Слайд 26

Многоаспектный характер национальной безопасности

Многоаспектный характер национальной безопасности

Слайд 27

Направления научно-исследовательских работ системный анализ в управлении технологическими процессами и организационно-экономическими

Направления научно-исследовательских работ

системный анализ в управлении технологическими процессами и организационно-экономическими системами;
разработка

комплексов моделирования и оптимизации в транспорте газа;
создание компьютерных тренажеров для повышения квалификации диспетчерского персонала в трубопроводных системах транспорта нефти и газа;
моделирование и оптимизация процессов добычи и разработки нефтяных и газовых месторождений;
модели, методы и технологии построения корпоративных информационных систем (как для предприятий нефтегазовой отрасли, так для управления вузом);
теоретические основы диспетчерского управления;
синергетический анализ;
системы принятия решений (на основе технологий искусственного интеллекта) для задач планирования и управления в нефтегазовой отрасли;
оценка качества и сертификация автоматизированных информационных систем;
информационная безопасность и др.

«Науку часто смешивают со знанием. Это грубое недоразумение. Наука есть не только знание, но и сознание, т.е. умение пользоваться знанием как следует»
В.А. Ключевский

Слайд 28

Тенденции в построении АСУ ПХД создание единого информационного пространства разработка моделей

Тенденции в построении АСУ ПХД

создание единого информационного пространства
разработка моделей и технологии

принятия решений на основе интеллектуального анализа корпоративных данных (Data Mining и др.)
оценка качества функционирования на основе стандарта ISO-15288
задачи интеграции
Средства:
корпоративные стандарты (руководящие документы) и действующие ГОСТ;
единое информационное пространство;
ОБД (ОБД следует трактовать не только как распределенное хранилище данных, но и как средство поддержки в актуальном состоянии оперативного корпоративного пространства обмена данными различных ИУС друг с другом);
единая терминология, классификаторы, НСИ.
Слайд 29

Пути интеграции АСУ ТП и АСУ ПХД ERP - системы, …

Пути интеграции АСУ ТП и АСУ ПХД

ERP - системы, …

SCADA -

системы, …

ERP - системы, …

SCADA - системы, …

PI System (visual flow)

MES-системы

Уровень АСУ ПХД

Уровень АСУ ТП

а) На основе использования
трехуровневой архитектуры
с применением хранилища
данных на среднем уровне
и XML, как формата
передачи информации.

б) На основе применения
MES-систем.

Слайд 30

1687 г. - открытие в Москве Славяно-греко-латинской Академии, первого в России

1687 г. - открытие в Москве Славяно-греко-латинской Академии, первого в России

высшего общеобразовательного учебного заведения; 1724 г. - основана Петербургская Академия наук (с 1917 г. Российская Академия наук, с 1925 г. - АН СССР). “…альфой и омегой нашей дидактики да будет изыскание и открытие способа, при котором учащие меньше бы учили, учащиеся же больше учились.” Ян Амос Каменский (18 век) Доклад Римского Клуба. Начало эры компьютерного обучения.

Компьютерное обучение и тренажёры

Слайд 31

ОБУЧАЮЩИЙ знания ОБУЧАЕМЫЙ передача знаний восприятие знаний коллективный характер индивидуальный характер

ОБУЧАЮЩИЙ знания ОБУЧАЕМЫЙ передача знаний восприятие знаний коллективный характер индивидуальный характер обучение - управляемый

процесс, изучение которого необходимо для организации компьютерной среды Системный подход Синергетический подход

- цели обучения
- характер процесса обучения
- структура процесса
- средства процесса обучения

Процесс обучения

Слайд 32

внутренняя (у слушателя) внешняя (через преподавателя) связана с организацией контроля сугубо

внутренняя (у слушателя)
внешняя (через преподавателя)
связана с организацией контроля

сугубо индивидуальный,
психические процессы

обобщение,
агрегирование знаний,
потери информации

динамический

нелинейный

диссипативный

с обратными связями

итерационный

связан с процессом восприятия

Характеристики процесса обучения

«Ученье без размышления бесполезно, но и размышление без учения опасно»
Конфуций

Слайд 33

Классификация: - тренажеры (компьютерные и операторские); - мультимедийные программы; - электронные

Классификация: - тренажеры (компьютерные и операторские); - мультимедийные программы; - электронные учебники; - дистанционное обучение; -

экспертные системы; - АОС; - контролирующие программы и др.

рабочие
профессии

инженерные
специальности,
в т.ч. оперативно-
диспетчерский
персонал

«Пределы науки похожи на горизонт;
чем ближе подходят к ним, тем более они отодвигаются»
П. Бауст

Система подготовки кадров в нефтегазовой отрасли

Слайд 34

Решение научно-технических проблем нефтегазовой отрасли финансы Организационное обеспечение Координационные советы по

Решение научно-технических проблем нефтегазовой отрасли

финансы

Организационное обеспечение

Координационные советы по науке и кадрам

Н/Г

КОМПАНИИ

Кадровое обеспечение

Магистры

Бакалавры

Инженеры

РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

Современные технологии

Интегрированные решения (технология + компьютерное моделирование + экономика + экология + сертификат качества)

Академия наук, НИИ и зарубежный опыт

Научные кадры

Эксплуатационное сопровождение

Слайд 35

Классификация моделей Виды моделей и признаки классификации : детерминированные и стохастические

Классификация моделей

Виды моделей и признаки классификации :
детерминированные и стохастические модели (по

наличию случайного фактора);
динамические и статические ( по фактору времени);
одномерные и многомерные (по числу переменных);
аналитические и численные (по характеру решений);
вычислительные и аналоговые (по характеру используемой ВТ);
физические и математические модели и др.
Слайд 36

Зависимость Функциональная Стохастическая Функция Регрессия Функционал Корреляция Оператор Функция ООФ Sx x y ОЗФ Sy

Зависимость Функциональная Стохастическая Функция Регрессия Функционал Корреляция Оператор Функция ООФ Sx x y ОЗФ Sy


Слайд 37

Функционал совокупности функций ставит в соответствие совокупность чисел sin x cos

Функционал совокупности функций ставит в соответствие совокупность чисел sin x cos x ∫f(x)dx : f(x)

= √x . . . . . Оператор Если заданы два произвольных множества Sx и Sy и дан закон, в соответствии с которым любому x будет соответствовать вполне определенный y , то говорят, что задан оператор. Функция, Функционал и Оператор – отражают действие причинно-следственной связи. Стохастическая связь - это такая зависимость, при которой определенному значению x будет соответствовать множество y. x (y1, y2, y3,..., yn)
Слайд 38

Логические уровни моделирования Х – “ Сократ-человек” F(х) - “Все люди-смертны”

Логические уровни моделирования

Х – “ Сократ-человек”
F(х) - “Все люди-смертны”
У=F(х) - “Сократ-смертен”


Если неизвестен у, то дедукция.
Если неизвестна F (х), то индукция.
Если неизвестен х, то абдукция.
Слайд 39

История моделирования Подобие и моделирование. Детерминированные системы (аналитические методы, линейные модели).

История моделирования

Подобие и моделирование.
Детерминированные системы (аналитические методы, линейные модели).
Уравнения математической физики.


Модели САР.
Метод Монте-Карло.
Статистические модели.
Численные методы и модели вычислительной математики.
Модели оптимального управления.
Детерминированные многомерные модели.
Модели математического программирования.
Имитационное моделирование.
Модели искусственного интеллекта.
Модели детерминированного хаоса и фракталы.
Слайд 40

1. Задачи детерминированного управления. u(t)=? y(t) z(t) Объект М М -

1. Задачи детерминированного управления.
u(t)=? y(t) z(t)
Объект М
М - измерительное устройство
Дано
Соотношения

между z(t) и y(t) и между y(t) и u(t) .
Цель
Найти такое управление u(t), чтобы y(t) или z(t) были бы как можно ближе к желаемому.

Классификация задач управления.

Слайд 41

2. Задачи оценки. V(t) W(t) y(t) z(t) Объект М W(t) -

2. Задачи оценки. V(t) W(t) y(t) z(t) Объект М W(t) - вектор

действующих на систему шумов. V(t) - вектор шумов измерений. Дано Соотношения между z(t) и y(t), V(t) y(t) и W(t) ; Статистическое описание V(t) и W(t). Проводятся замеры на некотором интервале времени Т. t - текущее время; t = T - задача фильтрации; t > T - задача предсказания или прогнозирования; t < T - задача сглаживания; Цель Найти такие оценки (t⎪T), которые являются лучшими в некотором смысле.
Слайд 42

3. Задача стохастического управления. W(t) V(t) u(t)=? y(t) z(t) Объект М

3. Задача стохастического управления. W(t) V(t) u(t)=? y(t) z(t) Объект М Дано Соотношения между

z(t) и y(t), V(t) y(t) и u(t), W(t); Статистическое описание V(t) и W(t). Цель Найти такое управление u(t), чтобы некоторая оценка (t) была близка к желаемому.
Слайд 43

4. Задача идентификации. W(t) V(t) u(t) y(t) z(t) Объект ? М

4. Задача идентификации. W(t) V(t) u(t) y(t) z(t) Объект ? М Дано Соотношения

между z(t) и y(t), V(t) Статистическое описание V(t) и W(t). Измеряются z(t) и u(t) Цель Определить лучшую в некотором смысле модель объекта.
Слайд 44

5. Задача адаптивного управления. W(t) V(t) u(t)=? y(t) z(t) Объект ?

5. Задача адаптивного управления. W(t) V(t) u(t)=? y(t) z(t) Объект ?

М Дано Соотношения между z(t) и y(t), V(t) Статистическое описание V(t) и W(t). Измеряются z(t) и u(t) Цель Определить u(t), для которого некоторая оценка y(t) была бы близка к желаемому. Иерархия моделей. Экономические модели оптимизационные Обработка информации и управления задачи Физико-химические модели процессов
Слайд 45

Методология построения детерминированных моделей Структура ошибка ошибка ошибка моделирования линеаризации агрегирования

Методология построения детерминированных моделей Структура ошибка ошибка ошибка моделирования линеаризации

агрегирования ⇓ ⇓ Дифференциальные Дифференциальные уравнения в частных уравнения в частных производных производных ОДУ (нелинейные) (линейные) линеаризация агрегирование Информация о структуре (априорная) Объект Модель Информация об измерениях (апостериорная) Ст Оценивание порядка Данные Кванто- ру измере- вание к Оценивание параметров ний ту ра Оценивание состояний ⇑ обработка ⇑ ошибка ошибка измерения квантования
Слайд 46

Математические схемы описания сложных систем. Проблема: сложная система реально представляется в

Математические схемы описания сложных систем. Проблема: сложная система реально представляется в виде

совокупности разнородных математических моделей. Для оценки глобального поведения всей системы нужен единый подход к моделированию. Существующие математические схемы. 1. Непрерывные детерминированные модели. D-схема (Dynamic) Примером могут служить дифференциальные уравнения. 2. Дискретные детерминированные модели F-схема (Finita) Примером могут служить конечные автоматы (автоматы Мура) 3. Дискретные вероятностные модели P-схема (Probability) Примером могут служить вероятностные автоматы 4. Непрерывные вероятностные модели Q-схема (Queue) Системы массового обслуживания, системы управления запасами, теория очередей. 5. Агрегативные модели А-схема (Aggregate) Показано, что в терминах агрегативных моделей можно описать все остальные схемы.