Розробка інформаційної системи підтримки прийняття рішень на базі SysML

Актуальність

інформаційна система прийняття рішення

Створення сучасних інформаційних систем керування якістю продукції являється однією із актуальних задач сьогодення. Пріоритетними напрямками впровадження таких систем є процеси покращення прийняття рішень під час моніторингу технологічного процесу та його прогнозування в умовах багатофакторності та невизначеності. Традиційні методи не можуть в повній мірі забезпечити вирішення поставлених задач, тому варто застосовувати нові сучасні перспективні підходи на основі інтелектуальних технологій обробки, прогнозування та візуалізації технологічної інформації. Інформаційні системи підтримки прийняття рішень (ІСППР) містять апаратну, програмну та інформаційні складові. Враховуючи складності при проектуванні ІСППР та її інформаційну взаємодію із всіма складовими підприємства, виникає необхідність у застосуванні засобу системної інженерії SysML, що дозволяє конкретизувати, візуалізувати, конструювати різні програмні аспекти системи [1; 2].

Аналіз останніх досліджень та публікацій

На сьогоднішній день немає універсального стандарту при проєктуванні інформаційних систем, який би описував повністю як технічну сторону, так і програмно-інформаційну. Традиційним стандартом при проєктуванні автоматизованих систем є ГОСТ 34.601-90 та ГОСТ 34.201-89. При проєктуванні інформаційних систем керуються стандартами IEEE Std 1076-2008, ISO/IEC/IEEE 15288:2015, ISO/IEC/IEEE 12207:2017, ISO/IEC/IEEE 16326:2019 SEI (2021), OMG (2021). Сучасні інформаційні системи на основі інтелектуального аналізу даних використовують стандарти CWM, CRISP, PMML [3]. В свою чергу, проєктування систем, яке є основним із напрямків у процесі системної інженерії, розглядає багатокомпонентні підсистеми на ранніх етапах їх створення. Важливу увагу приділяють моделям системи, що проєктується. Так, у дослідженні [4] авторами запропоновано підхід до автоматичного виведення моделі логіки керування в IEC-61499 FB з моделі проектування системи в SysML. У роботі [5-7] авторами було покращено життєвий цикл розробки програмного забезпечення в управлінні процесами за допомогою UML/SysML. У роботі [8; 9] авторами застосовано SysML для моделі системної інтеграції проєктування та моделювання мехатронних систем. У роботі [10] авторами використано SysML для проєктування систем керування.

Тож актуальним завданням є застосування інтегрованої мови моделювання SysML згідно із стандартом ISO/IEC/IEEE 42010:201 для опису різних аспектів інформаційної системи.

Метою дослідження є проєктування інформаційної системи підтримки прийняття рішень якістю продукції, а саме процесу виробництва вершкового масла на основі методології SysML.

Виклад основного матеріалу

Проведена характеристика технологічного процесу виробництва вершкового масла методом збивання свідчить про наявність невизначеностей різної природи та багатофакторності ризиків. Диспетчерське управління технологічним процесом має змінний характер і його складність залежить від самого об'єкта управління та інформаційно-обчислювальних систем, що впливає на прийняття рішень. Саме тому, інформаційна система підтримки прийняття рішень повинна забезпечувати постійний моніторинг технологічного процесу в режимі реального часу з метою попередження та/або недопущення нештатних ситуацій за рахунок прогнозування їхнього розвитку впродовж визначеного режиму функціонування.

До основних задач, які ставляться перед інформаційною системою підтримки прийняття рішень можна віднести наступне:

- зменшення браку продукції при наявних ресурсах;

- прийняття рішень в умовах невизначеності;

- координація та моніторинг технологічного процесу виробництва вершкового масла методом збивання;

- зменшення простоїв виробництва.

Важливою складовою інформаційної системи підтримки прийняття рішень є база даних, яка накопичує у собі дані технологічних параметрів проходження процесу та можливих нештатних ситуацій, що виникають на підприємстві. В режимі реального часу операторам-технологам в певних нештатних ситуаціях досить важко спрогнозувати можливий розвиток ситуації, тому інформаційна система діагностики та прогнозування з використанням штучного інтелекту стає ефективним знаряддям для забезпечення належної якості готового продукту.

Постійний розвиток систем автоматизації та інформаційно-комунікаційних технологій зумовило тенденцію до зростання складності програмного забезпечення, що використовується у системах підтримки прийняття рішень, його обсягу та інтеграції. Поступово, моделювання займає одне із основних місць у різних галузях для опису таких систем на перших етапах їх створення. SysML є діалектом UML 2 для моделювання широкого кола систем, які можуть включати апаратне та програмне забезпечення, як мова системної інженерії для аналізу, конкретизації, проєктування складних систем з метою підвищення їх якості. SysML включає дев'ять діаграм (рис. 1) [1]:

- Package diagram - це статична структурна діаграма, яка показує зв'язки між елементами моделі та їх вмістом;

- Requirement diagram - використовується для опису функціональних та нефункціональних вимог всередині моделі;

- Activity diagram - використовується для опису поведінки системи та її частин;

- Sequence diagram - описує динамічну поведінку системи як взаємодії між розподіленими об'єктами за допомогою повідомлень;

- State machine diagram - описує динамічну поведінку системи, яка показує послідовність станів, через який проходить об'єкт;

- Use case diagram - описує функціональність системи та те, як користувачі взаємодіють з нею;

- Block definition diagram - визначає системні статичні структури, які будуть використовуватися для об'єктів керування, об'єктів даних та об'єктів інтерфейсу;

- Internal block diagram - це статична структурна діаграма, яка показує його інкапсульований структурний вміст: частини, властивості, роз'єми, порти та інтерфейс;

- Parametric diagram - визначає обмеження на значення властивостей і зв'язок між властивостями системи.

Рис. 1. SysML діаграми

Основою розробки ІСППР якості продукції є вимоги, що висуваються до майбутньої системи, яка пов'язана із моніторингом та прогнозуванням технологічного процесу. Для цього у SysML визначена діаграма вимог (requirement diagram), яка формує загальні вимоги до системи і показана на рис. 2.

Рис. 2. Діаграма вимог до ІСППР якості продукції

Основною вимогою виступає власне розробка інформаційної системи моніторингу та прогнозування процесу збивання вершків у масло, яка б забезпечувала підтримку прийняття рішень в ході технологічного процесу, попередження та уникнення критичних ситуацій, прогнозування поведінки процесу.

Основна вимога містить дві декомпозиції: це власне методи моніторингу та прогнозування технологічного процесу. Впровадження методів моніторингу поведінки технологічного процесу повинно забезпечувати моніторинг технологічних параметрів в режимі реального часу, відображення виходу параметрів за контрольні межі. Це все уточнюється за допомогою зв'язку “derive” розрахунком контрольних меж карт Шухарта на відстані ±2а та ±3а відповідних технологічних параметрів процесу збивання вершків у масло, що сповіщають оператора-технолога про можливі нештатні ситуації. Дана вимога уточнюється за допомогою зв'язку “refine” щодо забезпечення отримання сигналів технологічних параметрів процесу від датчиків та їх відображення. Впровадження методів прогнозування технологічного процесу націлено на забезпечення отримання оброблених прогнозованих даних про можливий перебіг технологічного процесу на основі нейро-нечітких мереж. Дана вимога уточнюється зв'язком “derive” забезпеченням ефективного використання операторського інтерфейсу. Крім того, вимоги мають додаткове уточнення через зв'язок “refine” щодо налаштування регуляторів та забезпечення нормального проходження технологічного процесу, внесення коригувальних дій в залежності від технологічної ситуації.

Діаграма послідовності (sequence diagram) є популярним рішенням для динамічного моделювання. Діаграма описує задіяні етапи та послідовність повідомлень, яким вони обмінюються, необхідні для їх виконання. Вона використана для відображення етапів створення та впровадження ІСППР якості продукції, що організовані у часовій послідовності та має дві осі (рис. 3): вертикальна представляє час, а горизонтальна - об'єкти Проєкт ІСППР, Налаштування системи та регуляторів, Розробка ІСППР, Запуск ІСППР, Робочий цикл ІСППР. Взаємодія між об'єктами здійснюється через повідомлення (message), які містять інформацію про виконуючу дію. Кожне повідомлення представляється у вигляді суцільної лінії зі стрілкою на кінці, яка проводиться від лінії життя одного об'єкта до лінії життя іншого.

Рис. 3. Діаграма послідовності дій при створенні та впроваджені ІСППР

Так надходить сигнал від етапу Проєкт ІСППР до Розробка ІСППР про обробку даних, які будуть задіяні в інформаційній системі. У зворотному напрямку надходить повідомлення про визначення експериментальних даних, на основі яких буде будуватися, перевірятися та тестуватися система підтримки прийняття рішень. Також, на етап Розробка ІСППР надходить повідомлення від етапу Налаштування системи та регуляторів про вибір технологічного регламенту, адже вершкове масло має різний вміст вологи і відповідний йому регламент. Аналогічно відбувається обмін повідомленнями з іншими об'єктами діаграми послідовності.

Наступним не менш важливим етапом при створенні ІСППР виробництва вершкового масла є відображення послідовності дій, які виникають між системами різних рівнів виробництва, так як сигнали керуючих дій надходять на регулюючі органи та виконавчі механізми. Для діаграми послідовності функціонування ІСППР якості продукції, яка представлена на рис. 4, об'єктами є РО, ВМ, Датчики, ПЛК (промисловий логічний контролер), Оператор-технолог, ІСППР. Вся інформація про хід технологічного процесу, власне процесу збивання вершків у масло, отримується за допомогою Датчиків, які передають інформацію до ПЛК. У свою чергу від об'єкта ПЛК до Оператора-технолога надходить повідомлення про обробку та передачу інформації. Надалі об'єкт ІСППР отримує повідомлення про передачу та візуалізацію інформації від Оператора-технолога.

Об'єкт ІСППР отримує повідомлення на виконання таких дій як: аналіз інформації, розпізнавання ситуації, формування оперативної рецептури. Аналогічно відбувається обмін повідомленнями між іншими об'єктами системи.

Отже, вище наведені діаграми дозволяють представити складний процес створення інформаційної системи підтримки прийняття рішень та її взаємодію із різним складовими частинами та етапами.

Рис. 4. Діаграма послідовності функціонування ІСППР якості продукції

Висновки

Як було висвітлено у статті, існує проблема щодо сучасних стандартів при проєктуванні інформаційних систем підтримки прийняття рішень для технологічних процесів. Було показано доцільність використання методології системної інженерії SysML на основі стандартних діаграм. Розроблена діаграма вимог демонструє взаємозв'язки та взаємовпливи до загальних та уточнюючих вимог при проєктування інформаційної системи підтримик прийняття рішень якості продукції, а саме процесу збивання вершків у масло неперервним методом. Діаграми послідовностей використовуються головним чином для того, щоб показати взаємодію між різними об'єктами в послідовному порядку передачі інформації, в якому відбувається ця взаємодія. Розроблені діаграми дозволяють полегшити інтегрування інформаційної системи підтримки прийняття рішень в підсистему автоматизованого управління технологічним процесом для забезпечення належного функціонування в режимі реального часу, мати зв'язок із системою автоматизації нижнього рівня та системами верхнього рівня диспетчеризації, та базою даних.

Список використаних джерел:

1. Луцька Н. М., Власенко Л. О., Ладанюк А. П. Проєктування інтелектуальних автоматизованих систем керування технологічними процесами харчових виробництв засобами SysML. Частина 1: Огляд діаграм SysML, розробка діаграм вимог. Наукові праці НУХТ 2021. Том 23, № 3. С. 15-24. https://nuft.edu.Ua/doi/doc/swnuft/2021/3/4

2. Korobiichuk I., Ladanyuk A., Vlasenko L., Zaiets N. Modern Development Technologies and Investigation of Food Production Technological Complex Automated Systems, Proceedings of 2-nd International Conference on Mechatronics Systems and Control Engineering ICMSCE 2018. Amsterdam, Nitherlands., 2018. Р. 52-56. doi.org/10.1145/3185066.3185075

3. Ruan D., Chen G., Kerre E. E., Wets E. Intelligent data mining: techniques and applications. 1 ed. Heidelberg: Springer, 2005. 523 p.

4. Yue C., Jing Xu, Yusheng L., Xiaoping Ye, Jianjun Z. Automated generation of control logic from system design based on SysML and the IEC 61499 Function Block. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture. 2019. Vol. 233 (14). P. 2547-2565.

5. Hoffmann H. Harmony SE: a SysML based systems engineering process. In: Innovation 2008 Telelogic user group conference, Austin, TX, 26-29 October 2008, Malmo : Telelogic. Р. 1-25.

6. Tim W. Systems engineering with SysML/UML: modeling, analysis, design. Burlington, MA : Morgan Kaufmann, 2008. 320 р.

7. Batchkova I., Antonova I. Improving the software development life cycle in process control using UML/SysML. IFAC Proceedings Volumes. 2011. Vol. 44 (3). P. 14133-14138. https://doi.org/10.3182/20110828-6-IT-1002.03190

8. Barbieri G., Kernschmidt K., Fantuzzi C., Vogel-Heuser B. A SysML based design pattern for the high-level development of mechatronic systems to enhance reusability. IFAC Proceedings Volumes. 2014. Vol. 47 (3). P. 3431-3437. doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.00615

9. Yue Cao, Yusheng Liu, Christiaan J.J. Predis. System-level model integration of design and simulation for mechatronic systems based on SysML. Mechatronics. Vol. 21 (3). 2011. P. 1063-1075. https://doi.org/10.1016/j. mechatronics.2011.05.003

10. Sakairi T., Palachi E., Cohen C., Hatsutori Y., Shimizu J., Miyashita H. Designing a control system using SysML and Simulink. 2012 Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), 2012. Akita, Japan. P. 2011-2017.

References:

1. Lutska, N., Vlasenko, L., & Ladanyuk, A. (2021). Proiektuvannia intelektualnykh avtomatyzovanykh system keruvannia tekhnolohichnymy protsesamy kharchovykh vyrobnytstv zasobamy SysML. Chastyna 1: Ohliad diahram SysML, rozrobka diahram vymoh. [Design of intelligent automated control systems for technological processes of food production by SysML means. Part 1: overview of sysml diagrams, development of requirement diagrams]. Scientific Works ofNUFT, 27 (3), 15-24. Retrieved from: https://nuft.edu.ua/doi/doc/swnuft/2021/3/4 [in Ukranian]

2. Korobiichuk, I., Ladanyuk, A., Vlasenko, L., & Zaiets, N. (2018). Modern Development Technologies and Investigation of Food Production Technological Complex Automated Systems, Proceedings of 2-nd International Conference on Mechatronics Systems and Control Engineering ICMSCE. (pp. 52-56). Amsterdam, Nitherlands. Retrieved from: doi.org/10.1145/3185066.3185075

3. Ruan, D., Chen, G., Kerre, E. E., & Wets, E. (2005). Intelligent data mining: techniques and applications. 1 ed. Heidelberg : Springer.

4. Yue, Cao., Jing, Xu, Yusheng, L., Xiaoping, Ye., & Jianjun, Z. (2019). Automated generation of control logic from system design based on SysML and the IEC 61499 Function Block. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture, 233 (14), 2547-2565.

5. Hoffmann, H. (2008). Harmony SE: a SysML based systems engineering process. In: Innovation 2008 Telelogic user group conference. (pp. 1-25). Austin, TX, Malmo : Telelogic.

6. Tim, W. (2008). Systems engineering with SysML/UML: modeling, analysis, design. Burlington, MA : Morgan Kaufmann.

7. Batchkova, I., & Antonova, I. (2011). Improving the software development life cycle in process control using UML/SysML. IFAC Proceedings Volumes, 44 (3), 14133-14138. Retrieved from: https://doi.org/10.3182/20110828-6- IT-1002.03190

8. Barbieri, G., Kernschmidt, K, Fantuzzi, C, & Vogel-Heuser, B. (2014). A SysML based design pattern for the high-level development of mechatronic systems to enhance reusability. IFAC Proceedings Volumes, 47 (3), 3431-3437. Retrieved from: doi.org/10.3182/20140824-6-ZA-1003.00615

9. Yue, Cao, Yusheng, Liu, & Christiaan J.J. Predis. (2011). System-level model integration of design and simulation for mechatronic systems based on SysML. Mechatronics, 21 (3), 1063-1075. Retrieved from: https://doi.org/10.1016/j. mechatronics.2011.05.003

10. Sakairi, T., Palachi, E., Cohen, C., Hatsutori, Y., Shimizu, J., & Miyashita, H. (2012). Designing a control system using SysML and Simulink. 2012 Proceedings of SICE Annual Conference (SICE), (pp. 2011-2017). Akita, Japan.

Размещено на Allbest.ru