Інформаційні моделі та технології в управлінні транспортуванням газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

УДК 681.5:681.518

Інформаційні моделі та технології в управлінні транспортуванням газу

05.13.06 - інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Пелешенко Дмитро Сергійович

Харків 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Тевяшев Андрій Дмитрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри прикладної математики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ходаков Віктор Єгорович, Херсонський національний технічний університет, завідувач кафедри інформаційних технологій;

доктор технічних наук, професор Філатов Валентин Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри штучного інтелекту.

Захист відбудеться 19.11.2008 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий 17.10.2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради С.Ф. Чалий

АНОТАЦІЯ

Пелешенко Д.С. Інформаційні моделі та технології в управлінні транспортуванням газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Інформаційні технології. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2008.

Дисертаційна робота присвячена розробці інформаційної моделі газотранспортної мережі та технології побудови інформаційної підсистеми інформаційно-аналітичних систем управління транспортуванням газу. Інформаційні системи, що застосовуються в диспетчерському управлінні транспортуванням газу, не в змозі забезпечити відображення пов'язаних між собою схем газотранспортної мережі з різним рівнем деталізації, необхідних на різних рівнях диспетчерського управління транспортуванням газу. Розробка такої системи дозволить підвищити ефективність диспетчерського управління за рахунок автоматизації багатьох простих функцій обробки та передачі даних. В рамках дисертаційної роботи розроблено інформаційну модель газотранспортної мережі, яка поєднує між собою теоретико-графові моделі з різним рівнем агрегації даних. На основі розробленої моделі розроблено формальну мову маніпулювання ієрархічною графовою моделлю, що дозволило створити універсальний інтерфейс для обміну даними між різними підсистемами інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу. Розробка технології побудови інформаційних систем на основі сервіс-орієнтованої архітектури та ієрархічної графової моделі дозволяє знизити витрати на інтеграцію інформаційної системи що впроваджується з раніше розробленими інформаційними системами.

Ключові слова: інформаційна модель, інформаційна технологія, газотранспортна система, сервіс-орієнтована архітектура, ієрархія, теоретико-графова модель.

АННОТАЦИЯ

Пелешенко Д.С Информационные модели и технологии в управлении транспортировкой газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 - Информационные технологии. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2008.

Надежное бесперебойное и экономически эффективное функционирование газотранспортной сети требует внедрения новых информационных технологий. Неотъемлемыми частями такой технологии являются информационная модель предметной области и общая архитектура построения системы.

Диссертационная работа посвящена разработке информационной модели и технологии построения информационной подсистемы информационно-аналитических систем управления транспортировкой газа. В работе проведен анализ системы оперативно-диспетчерского управления транспортировкой газа и выделены основные проблемы построения информационно-аналитической системы управления транспортировкой газа. Система оперативно-диспетчерского управления транспортировкой газа имеет иерархическую структуру. На каждом уровне управления используется модель газотранспортной сети с определенным уровнем агрегации данных. На сегодняшний день ни одна из существующих информационных систем, используемых в оперативно-диспетчерском управлении транспортировкой газа, не может быть внедрена на всех уровнях управления, обеспечить отображение схем газотранспортной сети с разным уровнем детализации и интегрировать в одном комплексе все расчетно-технологические задачи. Разработка систем такого класса позволит повысить эффективность оперативно-диспетчерского управления за счет автоматизации многих простых функций обработки и передачи данных, а также за счет своевременного решения расчетно-технологических задач.

В рамках диссертационной работы разработана информационная модель газотранспортной сети, являющаяся иерархической графовой моделью, которая объединяет между собой теоретико-графовые модели с разным уровнем агрегации данных. Разработанная модель позволяет представить газотранспортную сеть с разными уровнями детализации и связать между собой эти уровни. Также разработаны метод обработки информации, представленной в виде иерархической графовой модели, на основе операций алгебры кластеров. Такой подход позволил разработать формальный язык манипулирования иерархической графовой моделью, используемый для построения универсального интерфейса между различными модулями информационно-аналитической системы управления транспортировкой газа.

В работе также предложена технология построения распределенных информационно-аналитических систем управления транспортировкой газа на основе сервис-ориентированной архитектуры и иерархической графовой модели, что позволило снизить затраты на интеграцию таких информационно-аналитических систем с ранее разработанными информационными системами.

Кроме того, использование предложенной технологии позволяет осуществлять внедрение таких систем поэтапно. Результаты, полученные в диссертационной работе, были использованы при построении информационно-аналитической системы оперативно-диспетчерского управления газотранспортной системой «Сигма».

Внедрение информационно-аналитической системы оперативно-диспетчерского управления «Сигма» позволило повысить оперативность принятия решений диспетчером благодаря автоматизации многих простых функций передачи и первичного анализа информации.

Использование принципов сервис-ориентированной архитектуры позволило интегрировать информационно-аналитическую систему оперативно-диспетчерского управления транспортировкой газа с разработанными ранее информационными системами разного назначения.

Ключевые слова: информационная модель, информационные технологии, газотранспортная система, сервис-ориентированная архитектура, иерархия, теоретико-графовая модель.

модель газотранспортний сервіс

ABSTRACT

Peleshenko D.S. Information models and technologies in gas transportation control. - Manuscript.

Dissertation for a candidate of Technical Science (Ph.D.) degree in specialist 05.13.06 - Information technologies. - Kharkiv National University of Radio electronics, Kharkiv, 2008.

The thesis focuses on development of information model gas transportation network and technology of development of information-analytical control system of gas transportation. Information systems that used in dispatching control of gas transportation can't provide presentation of linked schemes of gas transporting network of different level of details in different dispatching control level.

The development of such system allows increasing effectiveness of dispatching control due to automation of many simple data transfer and rendering functions. It was developed information model of gas transportation network which unites theoretical-graph models of gas transportation network with different data aggregation level within the limits of thesis.

On basis of developed model it was developed formal language of hierarchical graph model manipulation.

It allows creating universal interface for data exchange between different subsystems information-analytical control system of gas transportation.

Development of technology of building of information systems based on service-oriented architecture and hierarchical graph model allows decreasing costs of integration of introduced system with earlier developed information systems.

Keywords: information model, information technology, gas transporting system, service-oriented architecture, hierarchy, theoretical-graph model.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У 2005-2006 роках НАК «НафтогазУкраїни» було розроблено «Енергетичну стратегію України до 2030 року», яка визначає мету й основні напрямки розвитку нафтової та газової промисловості. Зокрема:

стабільне, безперебійне та економічно ефективне задоволення внутрішнього попиту на природний та зріджений газ;

надійність та безпека газопостачання споживачів;

збільшення власного добутку газу та зменшення залежності від зовнішніх поставок цього енергоресурсу;

ефективне використання геополітичного потенціалу України як однієї з найбільших держав, що здійснюють транзит газу;

інтеграція газотранспортної мережі України до газотранспортної мережі Європи.

Надійне безперебійне та економічно ефективне функціонування газотранспортної мережі потребує впровадження нових інформаційних технологій. Невід'ємними частинами такої технології є інформаційна модель предметної області та загальна архітектура побудови інформаційної системи. Значний внесок у розробку цього напрямку зробили дослідження: А.Г. Євдокимова, Д.С. Сарычева, А.В. Скворцова, С.Г. Слюсаренко, А.Д. Тевяшева та інших вчених.

На сьогодні не розроблено інформаційних моделей, які б адекватно описували газотранспортну мережу на різних рівнях управління та зв'язки цих рівнів. Відсутність таких моделей і наявність великої кількості інформаційних систем, неузгоджених або лише частково узгоджених між собою, зумовлюють актуальність наукових досліджень у галузі технологій побудови інформаційно-аналітичних систем управління транспортуванням газу та інформаційних моделей, що можуть бути використані в таких системах, яким присвячена дисертаційна робота.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетної теми №196-6 «Розробка методів багатокритеріальної оптимізації режимів транспорту і розподілу цільових продуктів у трубопровідних системах енергетики» (№ДР 0106U003175), що виконуються відповідно до наказу Міністерства освіти і науки України за результатами конкурсного добору проектів наукових досліджень. У рамках згаданої теми здобувачем як виконавцем розроблено інформаційну модель газотранспортної мережі, яка дозволяє описати структуру та параметри газотранспортної мережі на різних рівнях управління, та запропоновано архітектуру інформаційно-аналітичної системи управління газотранспортною системою (ГТС).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка нових спеціалізованих інформаційних моделей газотранспортної мережі та технології побудови інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу для підвищення оперативності прийняття рішень диспетчером. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішуються такі задачі:

дослідження існуючих інформаційних моделей газотранспортної мережі та технологій побудови інформаційних систем, що застосовуються в системі диспетчерського управління газотранспортною мережею;

побудова інформаційної моделі газотранспортної мережі що дозволить врахувати ієрархічну природу диспетчерського управління газотранспортною системою;

розробка методу перетворення побудованих інформаційних моделей газотранспортної мережі та розробка на їх основі формальної мови управління розробленою моделлю;

розробка методу побудови сервіс-орієнтованих розподілених інформаційно-аналітичних систем управління транспортуванням газу на основі розроблених моделей та методів;

вдосконалення методу побудови окремих сервісів сервіс-орієнтованої інформаційної системи з метою знизити витрати на розробку таких систем, завдяки багаторазовому використанню більшості модулів;

розробка інформаційної підсистеми інформаційно-аналітичної системи оперативно-диспетчерського керування ГТС;

аналіз ефективності розроблених моделей та методів.

Об'єкт дослідження - процес автоматизованого управління транспортуванням газу.

Предмет дослідження - інформаційні моделі, методи обробки та передачі інформації в інформаційно-аналітичній системі управління транспортуванням газу.

Методи дослідження - в роботі було використано методи об'єктно-орієнтованого моделювання та принципи побудови теоретико-графових моделей для розробки ієрархічної графової моделі, методи об'єктно-реляційного відображення та методи проектування реляційних баз даних для створення технологій збереження даних.

Наукова новизна отриманих результатів в тому, що:

вперше розроблено інформаційну модель газотранспортної мережі, яка ієрархічно поєднує між собою теоретико-графові моделі різного рівня агрегації, та дає змогу описати газотранспортну мережу на різних рівнях управління з різним рівнем деталізації даних зважаючи на зв'язки цих рівнів між собою, що дозволило підвищити оперативність прийняття рішень диспетчером завдяки можливості одночасного використання технологічних схем з різним рівнем агрегації даних;

вперше запропоновано метод перетворення інформаційних моделей газотранспортної мережі, який полягає у послідовному перетворенні інформаційної моделі газотранспортної мережі за допомогою операцій алгебри кластерів, що дозволило розробити формальну мову управління елементами запропонованої моделі, яка використовується для створення інтерфейсу між різними модулями інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу;

удосконалено метод побудови інформаційної підсистеми розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу, який на відміну від існуючих використовує ієрархічну графову модель газотранспортної мережі та принципи сервіс-орієнтованої архітектури, що дозволяє зменшити витрати на створення інформаційних системи такого класу;

набув подальшого розвитку метод побудови сервіс-орієнтованих інформаційних систем, який на відміну від існуючих передбачає використання певного шаблону згідно з яким конструюється кожен сервіс інформаційної системи та його модулі, що дозволяє знизити витрати на розробку таких систем завдяки багаторазовому використанню модулів.

Практичне значення отриманих результатів. Виходячи з результатів проведених досліджень, було розроблено розподілену інформаційно-аналітичну систему оперативно диспетчерського управління ГТС «Сигма». Розроблена система була впроваджена в дослідну експлуатацію в УМГ «Харківтрансгаз» включно з 9 підлеглими ЛПУ та УМГ «Донбастрансгаз».

Впровадження інформаційно-аналітичної системи оперативно диспетчерського управління «Сигма» дозволило підвищити оперативність прийняття рішень диспетчером завдяки автоматизації багатьох функцій передачі та первинного аналізу інформації. Використання розроблених методів дозволило інтегрувати засоби моделювання режимів роботи газотранспортної мережі в єдину інформаційно-аналітичну систему, що підвищує ефективність диспетчерського управління.

Застосування принципів сервіс-орієнтованої архітектури дозволило інтегрувати до інформаційно-аналітичної системи оперативно-диспетчерського управління транспортуванням газу розроблені раніше інформаційні системи різного призначення.

Впровадження результатів дослідження в систему оперативно-диспетчерського керування «Сигма», а також у навчальний процес підтверджено відповідними актами.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, отримано здобувачем особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - метод побудови розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу; [5] - розробка інтерфейсу системи управління дедуктивними БД з прикладними застосуваннями; [6] - розробка БД інформаційно-аналітичної системи; [7] - розробка архітектури розподіленої БД інформаційно-аналітичної системи управління ГТС; [8] - метод побудови сервіс-орієнтованих інформаційних систем; [10] - розробка загальної архітектури геоінформаційної аналітичної системи оперативно-диспетчерського управління ГТС.

У наступних роботах здобувачем опубліковано: [2] - метод побудови інформаційної підсистеми розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу; [3] - інформаційну модель газотранспортної мережі з точки зору об'єктно-орієнтованого аналізу; [4] - інформаційну модель газотранспортної мережі, яка ієрархічно поєднує між собою теоретико-графові моделі різного рівня агрегації та дає змогу описати газотранспортну мережу на різних рівнях управління з різним рівнем деталізації даних, зважаючи на зв'язки цих рівнів між собою; [9] - метод перетворення інформаційних моделей газотранспортної мережі.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційних досліджень доповідалися, обговорювалися і схвалено на таких науково-технічних конференціях і форумах: 7-му і 8-му Міжнародних молодіжних форумах «Радіоелектроніка і молодь у ХХІ сторіччі» (Харків, 2003, 2004); 6-й, 7-й і 8-й Міжнародних конференціях «Теорія і техніка передачі, прийому й обробки інформації» («Нові інформаційні технології») (Туапсе, 2004, 2006, 2007); другій міжнародній науковій конференції «Современные информационные системы проблемы и тенденции развития» (Харків, 2007).

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 10 друкованих працях (4 статті у збірниках наукових праць, 6 публікацій у працях конференцій), у тому числі в 4-х виданнях, включених до переліку ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, 2 додатків. Обсяг дисертації - 156 стор., в тому числі 140 стор. основного тексту, додатків - 7 стор. Дисертація містить 42 рисунка, 5 таблиць та посилання на 104 літературні джерела.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

інформаційний газотранспортний сервіс

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, наведено її основну характеристику. Викладено мету й задачі роботи, об'єкт, предмет і методи дослідження. Сформульовано наукову новизну, практичне значення, відповідність роботи державним науковим програмам.

Перший розділ охоплює питання аналізу проблеми побудови та впровадження інформаційно-аналітичних систем управління в газотранспортній галузі. Розглянуто організаційну структуру газотранспортної мережі (ГТМ) України та основні бізнес-процеси, що формують задачу оперативно-диспетчерського управління ГТМ. Наведено основні інформаційні моделі, що використовуються для розробки інформаційних систем, які застосовуються на різних рівнях управління газотранспортною системою та технології побудови розподілених інформаційних систем. Проведено аналіз проблем застосування цих моделей і технологій.

Організаційно система оперативно-диспетчерського управління ГТМ складається з трьох рівнів:

рівень Об'єднаного диспетчерського управління (ОДУ) ДК «Укртрансгаз»;

рівень центрального диспетчерського пункту управління магістральними газопроводами (УМГ);

рівень диспетчерського пункту лінійного виробничого управління (ЛВУ) магістральними газопроводами.

На кожному рівні використовуються моделі ГТМ різної деталізації, яка зростає у напрямку від верхніх рівнів до нижніх. Крім того, на кожному рівні управління виконуються такі основні задачі:

календарне й оперативне планування;

збирання та відображення оперативної інформації;

управління технологічним процесом;

аналіз роботи газотранспортної мережі.

Вхідною інформацією для всіх наведених задач є схема магістрального газопроводу, нормативно-довідкові та оперативні дані про технологічні елементи або групи технологічних елементів.

На сьогодні розроблено та впроваджено багато інформаційних моделей газотранспортних систем, але здебільшого вони пристосовані для використання у локальних обчислювальних системах і не придатні для використання у корпоративних системах управління, які охоплюють різні рівні управління. Наприклад, використання орієнтованого графа як основи теоретико-графових моделей не дає змоги отримати моделі ГТМ України, об'єднавши моделі окремих ЛВУ, кожна така модель ЛВУ не містить інформації про те, як вона співвідноситься з іншими.

Існує достатньо багато технологій побудови корпоративних інформаційно-аналітичних систем. Серед них можна виділити такі:

клієнт-серверні технології;

багаторівневі системи;

системи з розподіленими базами даних;

сервіс-орієнтовані технології.

Найбільш перспективними на сьогодні є технології, орієнтовані на сервіси, але для впровадження їх як основних технологій побудови корпоративної системи управління ГТМ вони потребують уточнення та вдосконалення.

У другому розділі розроблено інформаційну модель газотранспортної мережі, яка ієрархічно поєднує між собою теоретико-графові моделі різного рівня агрегації та дає змогу описати газотранспортну мережу на різних рівнях управління з різним рівнем деталізації даних зважаючи на зв'язки цих рівнів між собою.

Запропоновано метод перетворення інформаційних моделей газотранспортної мережі, який полягає у послідовному перетворенні інформаційної моделі ГТМ за допомогою операторів алгебри кластерів.

Розроблена інформаційна модель ГТМ складається з ієрархічно пов'язаних теоретико-графових моделей різного рівня агрегації даних. Елементами запропонованих теоретико-графових моделей є об'єкти в розумінні об'єктно-орієнтованого аналізу. Кожну таку теоретико-графову модель, що відповідає певному вузлу в ієрархії моделей, називатимемо кластером. Сукупність кластерів, що створюють єдину ієрархію, називатимемо ієрархічною графовою моделлю (ІГМ).

Формально визначимо кластер так. Кластер C складається з множини вузлів NC та множини AC упорядкованих пар вузлів. Кожну таку пару вузлів називатимемо дугою, а порядок проходження вершин - напрямком дуги. Дуги й вузли кластера називатимемо його елементами. Кожному елементу e кластера C відповідає вектор значень його атрибутів . Множину елементів кластера C позначатимемо EC, причому EC = NC U AC. Кожному елементу e кластера C може відповідати певний кластер Сe. У цьому випадку називатимемо елемент e узагальненим елементом кластера Сe а сам кластер Сe - кластером деталізації елемента e. Елемент, якому не відповідає жоден кластер деталізації, називатимемо простим. Таким чином, кластери утворюють певну ієрархію. Кластер Сe називатимемо кластером деталізації першого рівня відносно кластера С. Кластер, що містить тільки прості елементи, називатимемо простим кластером. Таким чином, простий кластер є орієнтованим графом. Введемо таку відповідність між об'єктами ГТМ і елементами ієрархічної графової моделі:

кластер відповідає певній ділянці ГТМ, відображеній з певним рівнем деталізації;

кожен простий вузол відповідає місцям з'єднання технологічних елементів;

кожному узагальненому вузлу відповідає група технологічних елементів, що міститься в його кластері деталізації;

кожній дузі відповідає технологічний елемент, якщо це проста дуга, або група технологічних елементів, якщо це узагальнена дуга.

Визначимо деякі операції над кластерами. Однією з основних операцій над кластерами є операція об'єднання двох кластерів. Визначимо її так, щоб окремі кластери, що відображають частини деякої схеми ГТМ, можна було розглядати окремо і водночас час при об'єднанні вони утворювали б зв'язний кластер, що відображає вихідну схему. Вузли, які при об'єднанні кластерів можуть бути об'єднані між собою, назвемо граничними вузлами. Такі вузли відповідають одному технологічному елементу. Введемо множину S - множину постійних позначок. Кожному граничному вузлу поставимо у відповідність деякий елемент цієї множини. Вважатимемо, що має постійну позначку . Причому граничні вузли, які можуть бути об'єднані під час об'єднання кластерів, позначимо тим самим елементом з множини S. Позначимо відношення, що задає відповідність між вузлами й постійними позначками кластера , а - відношення, що задає відповідність між вузлами й постійними позначками кластера . Тоді природне з'єднання й - буде відношенням, що задають пари вузлів, які мають бути об'єднані при об'єднанні кластерів та . Це відношення також задає постійні позначки, які мають бути надані отриманим у результаті об'єднання вузлам.

Розглянемо кластери та , постійні позначки яких задані відношеннями та відповідно.

Об'єднанням та , називатимемо кластер такий, що

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

де - множина вузлів, які введено замість пари вузлів з множин та з однаковими постійними позначками, а та - множини дуг кластерів та в яких вузли, що належать множинам та , замінено на відповідні вузли множини . Така заміна передбачає створення нових векторів атрибутів для кожного з вузлів множини , приймемо цей вектор рівним вектору атрибутів відповідного елемента множини .

Розглянемо кластер , постійні позначки елементів якого задані відношенням , а також множину його узагальнених дуг та множину його узагальнених вузлів . Множинам узагальнених дуг і вузлів цього кластера відповідають множини вузлів та дуг кластерів деталізації та множина відношень, що визначають постійні позначки, . Деталізацією кластера рівня 1 називатимемо кластер , утворений об'єднанням кластерів деталізації всіх узагальнених елементів кластера й самого кластера , з якого вилучені узагальнені елементи.

(5)

, , (6)

де

- множини вузлів з однаковими постійними позначками;

- множина вузлів , отриманих в наслідок об'єднання вузлів з множин , кожній множині відповідає один вузол ;

- множина узагальнених дуг кластера ;

- множина узагальнених вузлів кластера ;

- множина простих дуг інцидентних узагальненим вузлам;

та - множини дуг кластерів та , в яких вузли, що належать одній з множин , замінено на відповідні вузли множини .

Запропонована заміна вузлів передбачає схему обчислення вектора атрибутів нового вузла, аналогічну схемі, запропонованій в операції об'єднання.

Деталізація кластера C рівня полягає в об'єднанні деталізації рівня всіх узагальнених елементів кластера й самого кластера , з якого вилучені узагальнені елементи.

Багато методів технологічних розрахунків включають еквівалентування технологічних схем газотранспортної мережі, результатом якого є деяка спрощена розрахункова схема газотранспортної мережі. Головною концепцією еквівалентування є припущення про можливість заміни декількох елементів одним (еквівалентним), що імітує поведінку групи вихідних елементів при будь-яких допустимих режимах роботи ГТМ. Головною умовою для знаходження параметрів узагальнених елементів є збереження потокорозподілення. Введемо визначене на множині дуг деякого кластера бінарне відношення , що визначає пари дуг, які можуть бути замінені еквівалентною дугою. Транзитивне замикання цього відношення розбиває множину на класи еквівалентності, кожен з яких може бути замінений еквівалентним елементом.

При такому розбитті множини дуг на підмножини множина вузлів також розбивається на підмножини , але перетин цих множин не є пустою множиною. Для того щоб з двох систем множин та створити систему кластерів, необхідно в кожній множині замінити елементи, що належать , новими елементами. Елемент, що замінюється, та нові елементи мають отримати однакові постійні позначки.

Побудуємо систему множин , що відповідає , таку, що

. (7)

Розглянемо елементи та елементи , а також вектори значень їх атрибутів та відповідно, . Позначимо елементи і з однаковими індексами - однаковими постійними позначками

, (8)

. (9)

Агрегацією кластера в контексті відношення та деякого оператора , де - прямий добуток множин , назвемо кластер , такий, що його дуги є узагальненими елементами для класів еквівалентності, створених транзитивним замиканням відношення , значення атрибутів яких обчислені за допомогою оператора .

, (10)

де - узагальнений елемент для кластера , що відповідає класу еквівалентності , отриманого за допомогою відношення .

Нехай - деякий кластер. Розглянемо і - кластер деталізації елемента . Об'єкт, відповідний елементу , описує ту саму частину ГТМ, що й , але в більш узагальненій формі. Нехай - множина значень атрибутів , а - множина значень атрибутів елемента , тоді існує деякий оператор

, (11)

де - прямий добуток множин .

Називатимемо його оператором узагальнення кластера . Оператор здійснює узагальнення інформації, поданої множиною атрибутів об'єктів кластера . Оператор узагальнення можна розбити на кінцеву множину операторів

, (12)

де - множина значень -го атрибута елемента , а - множини значень атрибутів елементів кластера деталізації елемента , причому .

У свою чергу, кожен оператор може бути поданий у вигляді

(13)

та визначатися структурою

, (14)

де - система предикатів, що розбиває множину елементів кластера деталізації на систему підмножин ;

- підмножина атрибутів елементів, що належать ;

- множина агрегатних функцій, аргументами якої є значення атрибутів з множини ;

- деяка функція.

Таким чином оператор узагальнення можна подати у вигляді деякої комбінацій агрегатних функцій значень атрибутів підмножин кластера деталізації.

Запропонований метод перетворення інформаційної моделі газотранспортної мережі базується на операціях розробленої алгебри кластерів та містить наступні етапи:

аналіз вихідної інформаційної моделі, вибір необхідного рівня деталізації та необхідної підмножини елементів моделі;

формування послідовності операцій алгебри кластерів яка дає змогу отримати кінцеву інформаційну модель;

застосування сформованої послідовності до вихідної моделі.

У другому розділі також запропоновано метод збереження ієрархічної графової моделі газотранспортної мережі в реляційній базі даних, який базується на об'єктно-реляційному відображенні.

У третьому розділі розроблено вдосконалений метод побудови розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу, який, на відміну від існуючих, використовує ієрархічну графову модель та принципи сервіс-орієнтованої архітектури.

Запропоновано метод побудови сервіс-орієнтованих інформаційних систем, в основі якого лежить використання певного шаблону, згідно з яким конструюється кожен сервіс інформаційної системи та його модулі.

Однією з новітніх архітектур розподілених інформаційних систем є архітектура, орієнтована на сервіси. Сервіс орієнтована архітектура (СОА) - це підхід до розробки програмного забезпечення, заснований на використанні сервісів (служб) зі стандартизованими інтерфейсами. Інтерфейс компонентів СОА-програми надає інкапсуляцію деталей реалізації конкретного компонента (операційні системи, платформи, мови програмування) від інших компонентів. Таким чином, СОА надає гнучкий спосіб комбінування й багаторазового використання компонентів для побудови складних розподілених програмних комплексів.

Для побудови розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу найбільш оптимальним підходом є використання архітектури, орієнтованої на сервіси. Цей підхід дозволить зв'язати в єдину розподілену систему локальні системи автоматизації.

Розроблені принципи побудови інформаційно-аналітичної системи управління ГТМ забезпечують такі переваги:

незалежність організації системи від використовуваної обчислювальної платформи (платформ);

використання сервісів, незалежних від конкретних додатків, з однаковими інтерфейсами доступу до них;

організація сервісів як слабко-зв'язаних компонент для побудови систем;

можливість розширення функціональності з підтримкою старих версій;

можливість простого додавання нових сервісів;

невдала побудова однієї зі схем БД не веде до повного реінжинірингу.

Використання СОА в процесі управління транспортуванням газу характеризується застосуванням сервісів, більша частина яких має інтерфейс користувача. У цьому випадку функціональні можливості сервісу доповнюються задачами, розв'язуваними диспетчером, які полягають у прийнятті рішень. Усі програмні засоби автоматизації й керування технологічним процесом транспортування газу, так чи інакше, оперують даними про технологічні елементи газотранспортної системи. Використовуватимемо ієрархічну графову модель як основний спосіб подання цих відомостей. Це дозволить використовувати єдину інформаційну модель у всіх повідомленнях сервісів.

Запропонована інформаційна модель та алгебра елементів цієї моделі дозволяють розробити формальну мову управління ієрархічною графовою моделлю. Розробка такої мови дає змогу створити універсальний формат повідомлень сервісів, що значно підвищує гнучкість інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу.

Запропоновано загальну схему роботи сервісів, що реалізують ці задачі. Згідно з запропонованою загальною схемою роботи сервісу доповнено метод побудови сервіс орієнтованих систем. Доповнений метод передбачає використання шаблону для розробки всіх сервісів системи управління транспортуванням газу. Розроблений шаблон складається з наступних частин.

Інтерфейс сервісу (рис. 1). здійснює взаємодію з іншими сервісами інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу. Цей сервіс упаковує запити мовою управління ІГМ у пакети повідомлень згідно з певною технологією (XML Web Services, CORBA, WCF та ін.)

Рис. 1. Структура універсального сервісу системи управління ГТМ

Функціональна частина сервісу інкапсульована у модулі обробки запитів. Побудова цього модуля у вигляді проблемно-орієнтованого середовища виконання, в якому функціонують різні технологічні задачі, дозволяє істотно скоротити час розробки кожної технологічної задачі та спростити впровадження такої інформаційно-аналітичної системи та модифікацію її у відповідності до виникнення нових потреб.

Таким чином, вдосконалений метод побудови інформаційної підсистеми розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу складається з наступних етапів:

відокремлення задач, які має вирішувати система, що розробляється;

аналіз зв'язків цих задач та повернення до попереднього пункту, якщо можливо зменшити кількість таких зв'язків;

розробка сервісів, які вирішують ці задачі;

розробка сервісів що здійснюють обмін інформацією з вже існуючими засобами автоматизації;

аналіз розташування сховищ даних та каналів зв'язків та вибір розташування сервісів;

аналіз продуктивності системи та повернення до попереднього, якщо продуктивність не задовільна.

Побудована в такий спосіб інформаційно-аналітична система дозволить не тільки ефективно створювати та впроваджувати нові задачі, реалізовані у сервісах, а й максимально використовувати існуючі інформаційні системи - шляхом створення сервісу, що є з одного боку частиною інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу, а з іншого взаємодіючого з раніше розробленою інформаційною системою через спеціалізований програмний інтерфейс.

Розроблена технологія побудови інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу складається з наступних етапів:

формування переліку основних технологічних розрахунків та вибір математичних моделей та методів для виконання цих розрахунків;

вибір технології створення об'єктно-орієнтованої моделі ГТМ;

розробка ієрархії класів технологічних елементів згідно обраної технології;

вибір технології передачі даних, яка задовольняє вимоги до системи, що розробляється;

розробка інформаційної підсистеми згідно запропонованому методу та обраній технології передачі даних;

формування ІГМ газотранспортної мережі за допомогою розробленої інформаційної системи;

введення системи до експлуатації;

розробка додаткових сервісів, що вирішують аналітичні задачі, сервісів збирання оперативних даних та сервісів підготовки звітів;

уточнення ІГМ газотранспортної мережі.

У четвертому розділі здійснена практична реалізація та уточнення розроблених моделей та технологій.

Розроблено мову маніпулювання ІГМ, яка реалізує алгебру кластерів, що складається з таких головних класів виразів:

команди створення та зміни структури й елементів кластерів;

команди задання значень атрибутів елементів кластера;

вирази, що задають операції над кластерами;

службові команди управління сервісами.

Запропоновано декілька підходів до практичної реалізації інформаційних систем на основі ІГМ з використанням різних класів мов програмування. Для кожного з цих підходів запропоновано уточнену технологію побудови інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу.

Наведено основні принципи побудови розподіленої інформаційно-аналітичної системи оперативно-диспетчерського управління газотранспортною системою «Сигма», що була реалізована та впроваджена у дослідну експлуатацію згідно з результатами, наукових досліджень, проведених у дисертаційній роботі.

В рамках дисертаційної роботи розроблено дослідну версію розподіленої системи управління транспортуванням газу «NetMS», побудованої з використанням мов програмування, що транслюються до об'єктно-орієнтованого байт-коду (технологія .Net Framework). Ця система є більш гнучкою з точки зору побудови розподілених сервіс-орієнтованих систем, оскільки використовує технологію WCF на відміну від системи «Сигма», в якій було використано віддалений виклик процедур (RPC).

Аналіз розроблених систем дозволяє зробити висновок, що використання мов програмування, які транслюються до об'єктно-орієнтованого байт-коду, є найбільш ефективним з точки зору швидкості розробки.

Використання мов сценаріїв для реалізації поведінки об'єктів (методів), що є елементами ІГМ, значно підвищує гнучкість систем, що розробляються за рахунок можливості змінення програм, написаних такими мовами без перекомпіляції та навіть без перезапуску інформаційної системи. Але процес інтерпретації програм такими мовами програмування уповільнює роботу системи.

Зважаючи на сучасний рівень апаратного забезпечення інформаційних систем, складність розрахунково-технологічних задач, що вирішуються, та сучасні вимоги до темпів розробки, впровадження та супроводження інформаційних систем перевагу має використання технологій, які базуються на мовах програмування, що транслюються до об'єктно-орієнтованого байт-коду.

Запропоновано технологію інтеграції розроблених інформаційно-аналітичних систем з геоінформаційними системами (зокрема з системою ArcGIS розробленою компанією ESRI). Розроблено два підходи до інтеграції таких систем: з використанням спільної БД та з побудовою спеціалізованих модулів в обох системах для обміну даними. Останній підхід більш складний у реалізації, але забезпечує більше можливостей, зокрема організацію єдиного графічного інтерфейсу користувача.

У додатках наведено документи, які підтверджують впровадження отриманих результатів та доповнення до основного змісту роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну задачу розробки технології побудови інформаційно-аналітичної системи управління газотранспортною мережею. Проведені дослідження дозволили зробити таки основні висновки:

Проведено аналіз системи диспетчерського управління ГТМ, на основі якого виділено основні проблеми побудови інформаційно-аналітичної системи управління ГТС. Існуючі інформаційні моделі газотранспортної системи не достатньо пристосовані для використання в корпоративних системах управління. Існуючі методи розробки інформаційно-аналітичних систем такого класу потребують вдосконалення.

Вперше розроблено інформаційну модель газотранспортної мережі, яка ієрархічно поєднує між собою теоретико-графові моделі різного рівня агрегації. Розроблена модель дозволяє описати газотранспортну мережу на різних рівнях управління з різним рівнем деталізації даних. Використання такої моделі дозволило підвищити оперативність прийняття рішень диспетчером завдяки можливості одночасного використання технологічних схем з різним рівнем агрегації даних.

Вперше запропоновано метод перетворення інформаційних моделей газотранспортної мережі, який полягає у послідовному перетворенні інформаційної моделі газотранспортної мережі за допомогою операторів алгебри кластерів. Запропонований метод дозволив розробити формальну мову управління елементами інформаційної моделі газотранспортної мережі, яка використовується для створення інтерфейсу між різними модулями інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу.

Удосконалено метод побудови інформаційної підсистеми розподіленої інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу, який на відміну від існуючих використовує ієрархічну графову модель газотранспортної мережі та принципи сервіс-орієнтованої архітектури. Використання цього методу дозволяє зменшити витрати на створення інформаційних системи такого класу.

Набув подальшого розвитку метод побудови сервіс-орієнтованих інформаційних систем, який на відміну від існуючих передбачає використання певного шаблону згідно з яким конструюється кожен сервіс інформаційної системи та його модулі. Використання такого методу дозволяє знизити витрати на розробку таких систем завдяки багаторазовому використанню модулів.

На основі запропонованих моделей і методів розроблено технологію побудови інформаційно-аналітичної системи управління транспортуванням газу та інформаційну підсистему інформаційно-аналітичної системи оперативно-диспетчерського керування ГТМ.

Проведено дослідження ефективності створених моделей та технологій на прикладі системи оперативно-диспетчерського управління ГТМ «Сигма», яку було впроваджено у ДП «Харківтрансгаз». Результати впровадження відображено у відповідних актах.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пелешенко Д.С. Об одном подходе к интеграции информационно-аналитических и геоинформационных систем. / Д.С. Пелешенко, О.А. Тевяшева. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007.- № 1(25). - С. 4 - 9.

2. Пелешенко Д.С. Концепция построения информационно-аналитической системы управления магистральными газопроводами. / Д.С Пелешенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2007.-№ 6. - С. 30 - 36.

3. Пелешенко Д.С. Объектно-ориентированные технологи в информационно-аналитической системе управления транспортировкой газа. / Д.С. Пелешенко // Радиоэлектроника и информатика. -№ 4. - 2007. - С 102 - 104.

4. Пелешенко Д.С. Связь атрибутов элементов разных уровней иерархической графовой модели. / Д.С. Пелешенко // Вестник НТУ ХПИ. - 2007 - № 41. - С.77-82.

5. Пелешенко Д.С. Интерфейс системы управления дедуктивными базами данных с приложениями / Д.С. Пелешенко, Н.Н. Буслик, Д.А. Летучий // Сборник научных трудов по материалам 7-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке». - Харьков - 22 - 24 апреля, 2003. - С.289.

6. Пелешенко Д.С. Информационно-аналитическая система «Университет»: подсистема административно-хозяйственного аппарата («АХА») / Д.С. Пелешенко, Ю.Э. Новосельская, Е.Г. Бабий, Е. И. Выходцев // Сборник научных трудов по материалам 8-го Международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в ХХI веке». - Харьков. - 13 - 15 апреля, 2004. - С.121.

7. И. Е. Выходцев Распределенная база данных и графический интерфейс информационно-аналитической системы оперативно диспетчерского управления ГТС / И.Е. Выходцев, Д.С. Пелешенко, А.А. Резников // Сборник научных трудов по материалам Международной научной конференции «Теория и техника передачи, приема и обработки информации». - Харьков. - 28 сентября - 1 октября, 2004.- С.199 - 200.

8. Пелешенко Д. С. Информационно-аналитическая система оперативно-диспетчерского управления ГТС / Д.С. Пелешенко, И.Е. Выходцев, И.В. Бережной // Сборник научных трудов по материалам Международной научной конференции «Глобальные информационные системы проблемы и тенденции развития». - Харьков. - 3-6 октября, 2006. - С.188 - 189.

9. Пелешенко Д.С. Иерархическая информационная модель газотранспортной системы / Д.С. Пелешенко // Сборник научных трудов по материалам второй международной научной конференции «Современные информационные системы проблемы и тенденции развития». - Харьков. - 2 - 5 октября, 2007. - С. 327 - 328.

10. Тевяшев А.Д. Геоинформационная аналитическая система оперативно диспетчерского управления режимами транспорта и распределения природного газа в газотранспортной системе / Д.С. Пелешенко, А.Г Долгоброд. А.Д. Тевяшев, И.Е. Выходцев, И.В. Бережной // Каталог аннотаций на разработки по материалам первого украниско-китайского форума «Наука-производство». - Харьков. - 23 - 25 мая, 2007. - С. 174.

Размещено на Allbest.ru