Горенский Б.М. (рук.) Информационные технологии в металлургии

Подождите немного. Документ загружается.

Лекция 2. Системный подход к организации информационных техно-

логий. Анализ системы управления и объекта управления с единых методо-

логических позиций. Металлургические процессы как объект автоматизации

и управления. Создание, развитие и сертификация информационных техно-

логий; инструментальная система создания автоматизированных систем, сер-

тификация информационных технологий, испытания систем, информацион-

ный характер процесса управления.

Особенности и перспективы использова-

ния информационных технологий в металлургии. Примеры системного под-

хода к анализу металлургических процессов.

Информационный характер процесса управления

Объектами автоматизированного управления являются производство,

научный эксперимент, комплексные испытания, объекты социальной сферы.

Из этих объектов наибольшее значение имеет производство как источ-

ник экономического эффекта.

Производство – организационно-экономическая деятельность, отли-

чающаяся единством целей функционирования, технологий, входных и вы-

ходных продуктов труда.

Производство классифицируется по специфике, объему, характеру вы-

пускаемой продукции. Производство представляет

систему, функционирую-

щую в условиях воздействия окружающей среды. С внешней средой произ-

водство связывают как информационные, так и ресурсные отношения. Функ-

ционирование производства можно представить в следующем виде:

Производство функционирует в соответствии с некоторой целью, кото-

рая задается входной информацией I

вх

. Однако чтобы преобразовать входной

поток Q

вх

в выходной Q

вых

, помимо цели необходима и последовательность

действий, которая должна быть оптимальной. Также необходимо иметь вы-

ходную информацию I

вых

, характеризующую эффективность процесса.

Переработку информации в зависимости от решаемых задач можно

разделить на несколько уровней:

1. Организационно-экономическое управление, которое позволяет дос-

тичь оптимального значения критерия эффективности;

2. Организационно-технологическое управление, как управление средст-

вами и предметами труда с целью оптимального их использования;

3. Управление технологическими процессами с учетом внешних

возму-

вых

вх

Производство

щений и внутреннего состояния оборудования.

Основной целью функционирования любого производства является по-

лучение заданного количества труда при гарантированном уровне качества.

Реальный процесс управления складывается из следующих функций: плани-

рование, учет, регулирование.

Для реализации этих функций необходим информационный характер

принятия решений, который формируется на основе входной информации I

вх

выходной I

вых

, случайных возмущений F, состояния объекта и оборудования

и наличия ресурсов.

Управление производством может быть автоматическим и автоматизи-

рованным.

Автоматизированное управление применяется, когда неизвестны мате-

матические методы и алгоритмы управления и когда решение принимается

на основе аналогии имеющегося опыта.

Информационные технологии наиболее перспективными являются:

 при моделировании технологических процессов.

 при

контроле параметров, не поддающихся прямому измерению;

 при составлении прогнозирующих моделей изменения основных пара-

метров ТП;

 при расчете управляющих воздействий;

 при диагностике состояния технологического оборудования и ТП;

 при исследовании нормальных и аварийных режимов работы техноло-

гического оборудования;

 при обучении персонала навыкам оптимального управления ТП;

 при контроле

знаний персонала и сдаче квалификационных навыков на

разряд;

 при совершенствовании разработанных алгоритмов и работы оборудо-

вания;

 при оптимизации режима работы ТП.

Системный подход к организации ИТ

ИТ как составная часть информационной системы

ИТ используют различные аппаратно-программные средства ВТ и пе-

редачи информации, объединенные в требуемой последовательности преоб-

разования информации. Эта последовательность определяется задачами

пользователя и структурой применяемой ИС (автоматизированной системы

АС). ИС – это организационно-техническая система, которая обеспечивает

пользователю выработку решений на основе автоматизации информацион

ных процессов.

В общем виде структура ИС представлена на рисунке 3.

В каждом звене ИС имеет место преобразование входной информации,

соответствующее функциональному назначению звена. Любая ИС предпола-

гает наличие источников и потребителей информации, средств обработки и

отображения. Таким образом, основные функции ИС можно представить в

следующем виде:

1. Сбор информации, подлежащей передаче;

2. Получение информации характеризующей состояние системы;

3. Формирование сообщений определенной структуры;

4. Организация каналов связи;

5. Обмен сообщением между источником и потребителем информации;

6. Обеспечение достоверности передаваемых сообщений;

7. Обработка информации с целью выработки рекомендаций по управле-

нию;

8. Представление информации пользователю с целью исследования

функционирования системы или ОУ.

Следует иметь в виду, что автономное использование свойств ИС, как

правило, не приводит к желаемому результату и позволяет решать местные

или локальные задачи. Поэтому с целью получения дополнительного эконо-

мического эффекта необходим комплексный или системный подход к ис-

пользованию ИС в различных сферах человеческой деятельности.

Источники ин-

формации

Пользователь Пользователь

Средства ввода информации

Средства вывода информации

Передатчик

Приемник

Средства ото-

бражения ин-

формации

Средства хра-

нения инфор-

мации

Линия связи

Передатчик

Приемник

Вычислительная

система

Банк данных

Помехи

Рис. 3 – Структурная схема ИС

Роль системных представлений в практической деятельности.

В современном обществе системные представления достигли такого

уровня, что мысль о полезности и важности системного подхода к решению

возникающих на практике проблем вышла за рамки специальных научных

истин и стала общепринятой.

Системность – это не такое качество, которым можно обладать или не

обладать. Однако системность

имеет разные уровни. Сигналом о недостаточ-

ной системности является появление проблемы, разрешение которой осуще-

ствляется путем перехода на новый, более высокий уровень системности в

нашей деятельности. Поэтому системность не столько состояние, сколько

процесс.

Что означает слово "система", что означает "действовать системно",

почему несистемного знания не бывает, почему несистемный подход не

эф-

фективен? Эта проблема должна решаться постепенно, путем повышения

системности знаний, подхода и представлений.

Признаками системности можно на первых этапах исследования счи-

тать наиболее очевидные и обязательные такие, как:

 структурированность системы;

 взаимосвязанность составляющих ее частей;

 подчиненность организации всей системы определенной цели;

 алгоритмичностъ построения системы – это точно определенная после-

довательность однозначно понимаемых операций над числами, или исходной

информацией, или другими математическими объектами с целью выработки

решений с учетом требований всей проблемы, объекта или процесса в целом.

Одна из важнейших особенностей общественного производства состо-

ит в непрерывном росте его эффективности и, прежде всего, в повышении

производительности труда, которая может быть достигнута следующими пу-

тями:

 механизация, позволяющая повысить производительность за счет ис-

пользования простейших орудий и механизмов;

 автоматизация, позволяющая исключить человека из производственной

деятельности. При этом необходимо четко понимать, что можно возложить

на машину только те процессы и задачи, которые хорошо изучены;

 кибернетизация, которая используется в процессе руководства челове-

ческим коллективом, при управлении производственными системами, при

управлении и эксплуатации крупных технических комплексов.

Основная идея разрешения проблем, связанных со сложными система-

ми, состоит в том, чтобы в тех случаях, когда автоматизация невозможна, не-

обходимо использовать ту человеческую способность, которая проявляется

именно в таких случаях и называется интеллектом, т.е. способностью ориен-

тироваться в незнакомых условиях и находить решение

слабо формализован-

ных задач. При этом человек выполняет именно те операции в общем алго-

ритме, которые не поддаются формализации (например, экспертная оценка

или сравнение многомерных и неколичественных вариантов, принятие

управленческих решений, взятие ответственности на себя).

Именно на этом принципе строятся автоматизированные системы

управления, в которых, формализованные операции выполняют автоматы и

ЭВМ, а неформализованные операции выполняет человек. При этом кибер-

нетизация связана с изучением самих

систем, созданием системных пред-

ставлений, системных теорий.

Рассматривая объективные причины возникновения и факторы разви-

тия системных представлений и соответствующих методов и теории, мы

должны отметить объективные особенности человеческого мышления. Не

претендуя на законченность описания таких особенностей, приведем пере-

чень важнейших необходимых признаков того, что данный объект, явление,

процесс или их

модель имеют системный характер:

1. Всякая система обладает целостностью, обособленностью от окру-

жающего мира, выступает как нечто отдельное, единое (например, рыба в

воде, море, окружающая суша и т, д.);

2. Обособленность выделения системы из среды не означает ее изолиро-

ванность от среды. Система связана со средой, существует в ней, взаимодей-

ствует в ней, обменивается со средой энергией, материей, информацией,

можно сказать, что все системы открыты, замкнутых систем не бывает;

3. Целостность системы не означает ее однородности и неделимости, на-

оборот, в системе можно выделить различные определенные составные час-

ти;

4. Разделимость системы на части не означает, что эти части полностью

изолированы друг от друга. Наоборот, части образуют целое благодаря свя-

зям между ними. Открытость системы означает, что ее части связаны и с

внешней средой, но целостность системы означает, что внутренние связи

частей, образующих структуру системы, в каком-то отношении сильнее,

важнее, существеннее, чем ее внешние связи;

5. Целостность системы обусловлена тем, что система как целое обладает

такими свойствами, которых нети не может быть у составляющих ее частей.

Свойства системы не сводятся к свойствам ее частей и не являются простой

совокупностью этих свойств. Система выделяется, существует и описывается

как носитель этих качественных новых свойств;

6. Энерджетностъ – это возникновение принципиально нового качества,

не существующего без объединения частей в систему. Понятие энерджетно-

сти проясняет разницу между внешними и внутренними частями системы,

т.к. свойства системы как целого проявляются в ее взаимодействии с окру-

жающей средой, но само это свойство возникает и может существовать толь-

ко лишь благодаря взаимодействию этих частей.

Понятие энерджетности позволяет подчеркнуть еще один аспект внут-

ренней целостности системы Изъятие части из системы приводит к тому, что

система теряет при этом какие-то свойства, т.е. становится по существу дру-

гой системой. Часть, изъятая, из системы, также теряет, свои существенные

свойства, которые могли развиваться лишь до тех пор, пока эта часть нахо-

дилась в системе. Поэтому основа целостного подхода состоит в недопусти-

мости рассмотрения частей системы по

отдельности, вне их воздействия с

другими частями (пример: измерение электропроводности расплава на уста-

новке при изъятии расплава из электролизера, измерение вязкости расплава и

т. д.);

7. Открытость системы, ее связанность со средой означает, что система в

свою очередь входит в какую-то большую систему, т.е. является частью этой

большой системы. В результате мир выглядит, существует как иерархическая

система вложенных друг в друга перекрещивающихся частично или полно-

стью или разделенных, но взаимодействующих систем;

8. Внутренняя и внешняя целостность систем обобщаются, объединяют-

ся, синтезируются в понятии цели, которая диктует и структуру, и функцию

системы Функции системы интерпретируются как проявление целеустрем-

ленности системы, структура системы при этом выступает как вариант реа-

лизации системы. В связи с этим рассмотрение целей системы становится

одно из центральных проблем системного подхода. В частности приводятся,

различая между субъективными и объективными целями, между искусствен-

ной и естественной системой;

9. Система не является застывшим неизменным образованием, наоборот,

в результате внутреннего и внешнего взаимодействий все системы находятся

в динамики, подвержены постоянным изменениям, происходящих с различ-

ной интенсивностью. Многообразие процессов, происходящих в системах,

велико, их классификация приводится по разным основаниям и признакам.

Многие явления в системах невозможно понять без изучения их динамиче-

ских свойств.

Экспертные системы и системы поддержки принятия решений

Весь спектр типов задач, решаемых с помощью информационных тех-

нологий, лежит в пределах от сильно структурируемых (повторяющихся и

рутинных, с заранее выработанной стандартной процедурой, детально опи-

сывающей алгоритм получения решения) до не структурируемых, для кото-

рых описание процесса решения (т.е

. алгоритмическое специфицирова-ние)

невозможно.

Большую группу в этой совокупности составляют слабо структурируе-

мые задачи, решение которых связано с определением количественных и ка-

чественных переменных, причем зачастую качественные аспекты решения

задачи доминируют. Именно к этому классу относятся задачи, представляю-

щие реальный интерес в областях человеческой деятельности.

Данное обстоятельство привело к необходимости создания программ-

ных систем, основанных как на традиционных методах алгоритмической об-

работки данных, так и на методах создания и использования баз знаний.

Наиболее плодотворной методологией построения программных систем для

решения таких задач является новая информационная технология, связанная

с разработкой экспертных систем и систем поддержки принятия

решений

(СППР).

ЭС и СППР в той или иной степени основаны на использовании знаний

экспертов. ЭС относятся к числу интеллектуальных вычислительных систем

и являются практической реализацией методов и идей искусственного интел-

лекта. Они предназначены для моделирования или имитации поведения

опытных специалистов при решении задач по какому-либо узкому вопросу в

определенной предметной области. ЭС призваны оказывать помощь специа-

листам, когда их собственных знаний, опыта и интуиции недостаточно для

самостоятельного решения возникающих проблем. Такие системы представ-

ляют собой машинные программы, решающие задачи примерно так же, как

решает их эксперт в реальной обстановке. Это позволяет накапливать, систе-

матизировать и использовать знания и

профессиональный опыт тех экспер-

тов, которые выполняют конкретные задачи наилучшим образом и в первую

очередь в тех областях, где задачи их решения слабо формализованы или со-

всем не формализованы, а именно: в вычислительной технике, информатике,

машиностроении, финансовой сфере, военном деле, медицине, геологии,

ядерной энергетике и т. д.

Одним из наиболее перспективных

направлений в исследованиях по

искусственному интеллекту является разработка гибридных ЭС, предостав-

ляющих возможность использования не только эвристических знаний, но и

традиционной алгоритмической обработки данных с помощью Битовых па-

кетов прикладных программ.

Второй тип компьютерных систем новой информационной технологии

СППР предназначен для оказания помощи пользователям (работникам

управленческого персонала, аналитикам, лицам, ответственным

за принятие

решений на различных уровнях) в не структурируемых или слабо структури-

руемых ситуациях выбора.

Во-первых, такие системы выступают в роли помощника, который по-

зволяет расширить способности человека, но не заменяет мнение или систе-

му предпочтений.

Во-вторых, СППР предназначены для использования в ситуациях, ко-

гда процесс принятия решений ввиду

необходимости учета субъективного

мнения не может быть полностью формализован и реализован на ЭВМ.

Наиболее широкой сферой практического применения СППР является

планирование и прогнозирование для различных видов управленческой дея-

тельности.

Таким образом, СППР можно определить как человеко-машинную ин-

формационную систему, используемую для поддержки действий в ситуациях

выбора, когда невозможно или нежелательно иметь автоматическую систему

представления и реализации всего процесса оценки и выбора альтернатив.

В составе СППР, как правило, имеются база данных, средства решения

с пользователем и широкий набор методов

и моделей математического про-

граммирования, статистического анализа, теории игр, теории принятия ре-

шений, а также эвристических методов, обеспечивающих адаптивность сис-

темы и обучение.

ЭС и СППР как конкретные программные продукты в ряде случаев мо-

гут выглядеть внешне одинаково. Однако они имеют существенное различие

в своей целевой направленности. СППР призваны помочь

человеку в реше-

нии стоящей перед ним проблемы, а ЭС — заменить человека при решении

проблемы. Вместе с тем разрабатываемые в рамках искусственного интел-

лекта концепции оказываются плодотворными и для СППР.

Большинство СППР работает с числовыми данными, аналитическими

моделями и решает проблемы, которые предварительно дописываются на

языке таких моделей. Однако СППР могут

демонстрировать и некоторые ин-

теллектуальные черты, если в их структуру включить базу знаний и исполь-

зовать механизм логического вывода. В этом случае СППР становится спо-

собной работать в условиях неполноты исходной информации, использовать

вероятностные выводы, вырабатывать суждения и объяснения, которые вы-

даются в качестве советов.

Дальнейшее развитие двух типов информационных

программных сис-

тем — ЭС и СППР — непосредственно связано с интеграцией и взаимообо-

гащением методов их реализации. Появление возможности обработки проце-

дурных знаний в гибридных ЭС и, с другой стороны, введение базы знаний в

СППР указывают на их сближение и возможность создания систем, позво-

ляющих использовать различные типы знаний при решении тех

или иных за-

дач, объединять на общей концептуальной основе подходы, характерные для

исследований в области принятия решений, оптимального управления, из-

влечения и представления знаний, компьютерной логики и языкового обще-

ния.

Вопросы для самоконтроля к разделу 1

1. Понятие информационных технологий.

2. Этапы развития информационных технологий.

3. Задачи информационных технологий.

4. Этапы эволюции

технологии управления и обработки данных.

5. Структура базовой информационной технологии.

6. Классы операций информационных технологий.

7. Основные свойства и характеристики информационных технологий.

8. Состав и структура информационных технологий.

9. Информационная технология как средство решения научных и практи-

ческих задач.

10. Экспертные системы и системы принятия решений.

Раздел 2. Методы автоматизированного сбора информации

Лекция 3. Методы автоматизированного сбора информации. Примене-

ние системного подхода для реализации автоматизированного сбора инфор-

мации. Методы автоматизированного сбора, передачи, обработки и

накопле-

ния информации о параметрах технологических процессов. Представление

информации оператору. Применение системного подхода для реализации ав-

томатизированного сбора и обработки информации.

Анализ и синтез в системных исследованиях

Аналитический метод был осознан, выделен и сформулирован как са-

мостоятельных технический прием познания в XVII веке. Успех и значение

аналитического метода состоит не только и не столько в том, что сложное

дело расчленяется на все менее сложные части, а в том, что, будучи соедине-

ны надлежащим образом, эти части образуют единое

целое. Этот момент аг-

регирования частей в целое является конечным этапом анализа, поскольку

целое мы можем объяснить через ее части. Аналитический метод имеет ко-

лоссальное значение в науке и технике (разложение функций в ряд диффе-

ренциальные и интегральные исчисления и т.д.).

Аналитический метод приводит к достижению наивысших результатов

в тех

случаях, если удается разделить на независимые друг от друга части,

поскольку в этом случае их отдельное рассмотрение позволяет составить

правильное представление об их вкладе в общий эффект. Однако случай, ко-

гда система является суммой своих частей, является редчайшим исключени-

ем. Правилом же является то, что вклад данной части в общесистемный

эф-

фект, зависит от вкладов других частей. Поэтому, если заставить каждую

часть функционировать наилучшим образом, то в целом эффект не будет

наивысшим. Поэтому при анализе неаддитивных систем (невзаимосвязан-

ных) следует делать акцент на рассмотрение не отдельных частей, а их взаи-

модействия, что является существенно более трудной задачей. В качестве

примера можно

показать эффективность управления технологическим про-

цессом локальной АСР и взаимосвязанной АСУ ТП

Организация информационных технологий на основе системного под-

хода к построению и функционированию информационных технологий.

ИТ – это использование информационных инструментальных средств

сбора, хранения и обработки информации для исследования технологических

процессов, их визуализации и выработки управляющих воздействий с целью

достижения поставленных целей получения дополнительной информации и

на ее основе и управления объектом, позволяющим повысить ТЭП процес-

сов.

Рассмотрим, как используется принцип системного подхода к проблеме

получения, сбора, передачи, хранения и обработки информации и выработки

управляющих воздействий по управлению агрегатами и технологическими

процессами в цветной металлургии.

Получение информации. Использование системного

подхода к про-

блеме получения информации о параметрах технологического процесса оз-

начает следующее:

 системы получения информации должны являться частью общей

информационно управляющей системы и по возможности должны строиться

на базе средств ВТ и физических законов функционирования объектов и тех-

нологических процессов.

Системность подхода к решению проблем контроля технологических

параметров объясняется возможность использования тех же средств ВТ для

организации контроля технологических параметров, что и для обработки ин-

формации и расчета управляющих воздействий. Изменение функций ВТ при

этом достигается путем изменения алгоритмического и ПО ЭВМ. Данный

подход позволяет не менять структуру ИС

(пример: контроль температуры

расплава, контроль уровней расплавов, использование одного и того же сиг-

нала для измерений разных параметров и т. д.).

Сбор информации и ее передача. При организации сбора информации

системность проявляется в построении схем сбора информации, при этом

различают: централизованные и децентрализованные системы сбора, ради-

альные и кольцевые, одноканальные

и многоканальные.

При выборе структуры системы сбора информации необходимо также

учитывать возможность развития системы, возможность подключения новых

дополнительных периферийных устройств, устройств борьбы с помехами и

защиты информации от несанкционированного доступа.

Обработка информации. При обработке информации системный под-

ход означает возможность однократного получения сигнала и многократного

его использования с целью получения из

одного сигнала как можно большего

количества информации о параметрах, характеризующих технологический

процесс. Например, флуктуация напряжения алюминиевого электролизера

может нести информацию о состоянии электролизера (шумы электролизера).

Интегральная характеристика флуктуации несет информацию о температуре

электролита и т.д.

Системность подхода означает также возможность использования од-

ного и того же устройства для обработки

информации, полученной от раз-

личных датчиков, например, обработка сигналов, полученных с датчиков

магнитного поля, и сигналов, характеризующих параметры флуктуации на-

пряжения или сопротивления электролизера.