Харківський національний університет радіоелектроніки

Манакова Наталія Олегівна

УДК 004.06

методи та алгоритми раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами

05.13.06 – автоматизовані системи управління

і прогресивні інформаційні технології

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківській державній академії міського господарства, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Євдокімов Анатолій Гаврилович, Харківська державна академія міського господарства, завідувач кафедри прикладної математики та обчислювальної техніки.

Офіційні опоненти:

–

–

Провідна установа:

Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, кафедра автоматизованих систем управління, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться 25.02.2004 p. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 в Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, тел: (0572) – 7021 - 451.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки (61166, м. Харків, пр. Леніна, 14).

Автореферат розісланий 24.01.2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.І.Саєнко

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Економічний стан і безперебійна робота регіональних підприємств життєзабезпечення населення, істотну частку яких складають регіональні інженерні мережі, є однією з актуальних проблем, що постають у даний час перед населенням України. Інженерні мережі постійно розвиваються у зв'язку із зростанням потреб населення і підприємств, появою нових споживачів, зміною родовищ цільового продукту або розділенням регіональних систем на більш дрібні, або, навпаки, об'єднанням декількох в одну, з метою підвищення надійності й ефективності їх функціонування.

Проблемам управління інженерними мережами присвячені роботи провідних вчених М.М.Абрамова, Ю.О.Ільіна, Д. Фокса, М. Сереса, Ф. Даффі, О.О.Іоніна, А.П. Меренкова, М.Г. Сухарева, А.Г.Євдокімова, А.Д.Тевяшева, М.І.Самойленка та ін.

Існуюча практика розвитку інженерних мереж пов'язана з покриттям дефіциту цільового продукту і, як правило, базується на освоєнні та введенні в експлуатацію нових джерел цільового продукту, що пов'язано з додатковими фінансовими, матеріальними і часовими витратами. Крім того, у даний час досить напружена ситуація складається і з надійністю інженерних мереж. Це обумовлено зростаючими обсягами і швидкістю зносу трубопроводів і устаткування комунальних систем постачання, обмеженістю фінансових ресурсів на відновлення мережі в умовах сучасної економічної ситуації. Але слід зазначити, що в самих інженерних мережах приховані великі внутрішні резерви, використання яких дозволяє домогтися істотної економії непродуктивних матеріальних та енергетичних витрат у багатьох галузях народного господарства, а також поліпшити забезпечення населення і промисловості цільовими продуктами і в результаті дати значний економічний ефект. Одним із шляхів виявлення таких резервів є раціональна обробка даних про об'єкт управління, з метою підвищення повноти, точності та своєчасності інформації, що дозволила б більш обґрунтовано приймати рішення на всіх етапах управління від поточної експлуатації до планування і реконструкції.

Але отримання такої інформації про регіональну інженерну мережу (РІМ) пов’язано з певними труднощами. З одного боку такими труднощами є неефективна організація інформаційних потоків та окремі сховища даних про об’єкт управління, що призводить до дублювання робіт та істотних затримок в аналізі ситуації на підприємстві, з другого — недостатня кількість і велика похибка вимірювачів, що призводить до невизначеності й помилковості моделювання потокорозподілу в інженерній мережі. Все це обумовлює актуальність дослідження й розробку алгоритмів та методів раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні інженерними мережами.

Зв'язок роботи з науковими програмами і темами. Дисертаційна робота виконана в рамках НДР на кафедрі прикладної математики й обчислювальної техніки Харківської державної академії міського господарства. Дисертація узагальнює наукові результати, отримані при особистій участі автора в розробках за господарсько-договірною темою НДР № 00-59 “Розробка пілота-проекту регіональної автоматизованої системи керування об'єктами газопостачання Харківської області”, що виконувалася за замовленням РАСУ ВАТ “Харківгаз”. Результати дисертаційного дослідження були впроваджені також в ТВО “Харківкоммунпромвод” (як виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є розробка методів та алгоритмів раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами. Для досягнення поставленої мети був розроблений новий підхід до використання інформації в процесах управління регіональними інженерними мережами. Суть цього підходу полягає в створенні єдиного інформаційного ресурсу, який дозволить інтегрувати всі підсистеми відповідного підприємства і забезпечити якісно новий рівень використання та обробки даних при управлінні регіональними інженерними мережами. Відповідно до поставленої мети і запропонованого підходу сформульовані і вирішені наступні задачі дисертаційного дослідження:

1. Виконати системний аналіз та декомпозицію регіональної інженерної мережі з точки зору процесів управління в ній.

2. Розробити підхід до проектування інформаційного забезпечення ІСУ РІМ з метою створення єдиного інформаційного ресурсу для виконання раціональної обробки даних.

3. Розробити метод вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу як засіб раціональної обробки даних про стан інженерної мережі.

4. Розробити метод вибору дерева графу інженерної мережі та її основних матриць як засіб раціональної обробки даних про геометричну структуру мережі.

5. Розробити оцінки раціональності обробки інформаційних потоків на етапі реєстрації технологічних даних на підприємстві РІМ.

6. Розробити метод раціональної обробки інформаційних потоків, як носіїв технологічних даних про інженерну мережу.

7. Обрати технологію реалізації та реалізувати запропонований підхід та розроблені методи при автоматизованому управлінні конкретною інженерною мережею.

Об'єктом дослідження є регіональні інженерні мережі. Предмет дослідження: методи раціональної обробки даних, що використовуються при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами. Методи дослідження: системний аналіз, об'єктно-орієнтований аналіз, методи умовної і безумовної оптимізації, методи вирішення систем лінійних і нелінійних рівнянь, а також методи теорії матриць.

Наукова новизна отриманих результатів. У процесі вирішення поставлених задач особисто автором отримані такі результати:

вперше розроблено метод вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі, що на відміну від існуючих базується на використанні групового спуску змінних і комбінації методу Ньютона та його модифікації з діагоналізацією матриці Гессе, і дозволяє врахувати специфічні властивості задачі, підвищити збіжність обчислювального процесу та скоротити обсяг обчислень при виконанні обробки даних про інженерну мережу;

удосконалено метод автоматизованого вибору дерева графу та обчислення основних матриць інженерної мережі який дозволяє виконати автоматизовану обробку топологічної структури мережі при внесенні в неї змін, зокрема на випадок зміни точок розміщення вимірювачів на мережі;

вперше розроблені оцінки раціональності обробки інформаційних потоків, які на відміну від інших дозволяють врахувати особливості документообігу на підприємствах РІМ при реєстрації технологічних даних;

вперше розроблено метод корекції інформаційних потоків на підприємствах РІМ, який на відміну від існуючих виконується згідно з розробленим формалізованим оператором, та дозволяє провести реорганізацію обробки інформаційних елементів підвищуючи її раціональність в сенсі введених тут оцінок.

Практичне значення отриманих результатів. Наукові результати дисертаційного дослідження дозволили сформулювати і вирішити ряд виробничих задач з експлуатації та розвитку трубопровідних мереж:

виконана структурна декомпозиція РІМ з використанням CASE-технології;

розроблено та реалізовано підхід до проектування інформаційного забезпечення ІІСУ РІМ з використанням сучасних інформаційних технологій, що базується на вводі єдиного інформаційного ресурсу;

розроблені інфологічні та даталогічні об’єктно-орієнтовані моделі інформаційного забезпечення ІІСУ РІМ;

розроблено засоби (алгоритм та програмна реалізація) вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі на основі розробленого методу, який дозволяє підвищити повноту та точність даних про об’єкт управління;

розроблено засоби (алгоритм та програмна реалізація) автоматизованого вибору дерева та побудови основних матриць мережі, що використовується при обробці даних про топологічну структуру мережі.

Результати дисертаційної роботи були передані в експлуатацію в ТВО “Харківкомунпромвод” у вигляді комплексу баз даних і програм “Інтегрована інформаційна система управління мережею водопостачання” (ІІСУМВ). Розроблений комплекс дозволяє: акумулювати розрізнену інформацію за допомогою єдиного сховища даних; вирішувати задачу ідентифікації стану потокорозподілу мережі водопостачання за допомогою нового алгоритму підвищеної збіжності. Використання розробленої ІІСУМВ дозволило забезпечити економічний ефект 20 000 грн. за рахунок: підвищення оперативності і якості роботи з інформацією; виключення дубльованої обробки даних про об'єкти мережі; застосування нового удосконаленого алгоритму вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерної мережі (акт впровадження від 26 лютого 2003 року).

Результати дисертаційної роботи також впроваджені в навчальний процес на кафедрі ПМ і ОТ Харківської державної академії міського господарства в курсі “Математичні методи управління мереживними системами міського господарства” у вигляді програми “Розрахунок мережі”, що призначена для побудови дерева та основних матриць мережі (матриці інцидентності і цикломатичної матриці), і вирішення задачі ідентифікації станів інженерної мережі (акт впровадження від 20 лютого 2003 року).

Особистий внесок здобувача. Всі результати дисертаційної роботи отримані автором особисто і полягають в наступному: у працях [1, 2, 4, 5, 7] розроблено комбінований метод вирішення задачі ідентифікації стану інженерної мережі, допоміжні процедури вибору тестових функції та наведені результати експериментальних досліджень методів вирішення цієї задачі; у працях [3, 6] розроблені метод та алгоритм автоматизованого вибору дерева, який використовується як засіб обробки топологічних даних про інженерну мережу; у працях [8-11] розроблено оцінки раціональності обробки та метод корекції обробки інформаційних потоків.

Апробація результатів дисертації.

Основні положення дисертаційної роботи були подані й розглянуті на таких конференціях і семінарах:

·

·

·

·

·

Публікації. Матеріали дисертації достатньо повно викладено у 11 друкованих роботах, з яких 7 робіт видано у вигляді статей у фахових виданнях, 4 роботи — у вигляді доповідей.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел з 88 найменувань на 7 сторінках, додатків на 31 сторінці; загальний обсяг роботи — 178 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність проблеми, розглянутої в роботі, сформульовані мета та завдання дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача, наведені публікації та апробації за темою роботи.

У першому розділі дана загальна характеристика регіональних інженерних мереж. Виконано огляд методів оптимального управління РІМ. Зазначено, що задачі управління цими об’єктами можна розділити на задачі оперативно-диспетчерського управління і на задачі більш тривалого стратегічного характеру. Вирішення останніх на більшості підприємств інженерних мереж базується на досвіді та інтуїції керівника, тому що інформація не відповідає вимогам повноти, точності й актуальності. Для підвищення ефективності управління за допомогою раціональної обробки даних запропоновано підхід, який полягає в наступному.

З одного боку, для виконання раціональної обробки даних запропоновано створювати інформаційну систему на базі єдиного інформаційного ресурсу, яка дозволила б оцінювати поточну ситуацію та оперувати всіма підсистемами, що входять до підприємства. Назвемо таку систему інтегрованою інформаційною системою управління (ІІСУ).

З іншого боку, для раціональної обробки технологічної інформації про мережу, що є відправною точкою формування всього інформаційного забезпечення, запропоновано використовувати: методи математичної обробки початкових даних, а саме ідентифікацію стану потокорозподілу в інженерній мережі, та методи математичної обробки даних про топологічну структуру мережі, а саме методи побудови дерев графу та основних матриць інженерної мережі. При реєстрації технологічних даних, що є наступним етапом обробки, запропоновано використовувати методи підвищення раціональності обробки паперових та електроних форм зберігання інформації. На основі обраного підходу визначені напрямки подальших досліджень методів раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами. В заключній частині розділу сформульовані мета і задачі дослідження.

Другий розділ присвячено системному аналізу об’єкту дослідження з точки зору процесів управління, використанню та характеристиці інформації у цих процесах на підприємстві, що експлуатує регіональні інженерні мережі.

Як засіб формалізації моделей досліджуваного об’єкту обрано CASE-технологію. Аналіз побудованих діаграм показав, що регіональна інженерна мережа є динамічним організмом, що характеризується рухом потоків інформації через складну взаємопов’язану систему та інтегральною природою інформації, що використовується в рамках підприємства. Цей інтегральний характер запропоновано врахувати при створенні інформаційного забезпечення ІІСУ РІМ, що має бути об’єднаним інформаційним ресурсом, що забезпечують потреби та взаємодію користувачів. Виразимо проектування інформаційного забезпечення ІІСУ у вигляді поетапного процесу від найбільш загальної концептуальної моделі регіональної інженерної мережі до логічної, а потім і фізичної моделі відповідної інформаційної системи. Цей процес складається з наступних етапів:

· формулювання загальних вимог до функціональної поведінки регіональної інженерної мережі;

· аналіз процесів управління в об’єкті дослідження;

· дослідження інформаційних потоків з метою виокремлення ключових елементів;

· виділення сутностей, побудова інфологічної моделі та її атрибутивне наповнення;

· побудова даталогічної моделі даних, що є комп’ютерно-орієнтованою і залежить від вибору програмної платформи реалізації системи;

· типізація користувачів для організації їх взаємодії з єдиним інформаційним простором;

· побудова фізичного відображення інформаційного забезпечення інформаційної системи.

Запропонований підхід покриває весь цикл проектування інформаційного забезпечення ІСУ РІМ та дозволяє:

· вести поетапну розробку всієї системи або будь-якого її фрагмента, не використовуючи конкретні моделі її елементів, що дозволяє узагальнити підхід до різних типів інженерних мереж;

· відображати взаємозв’язки об’єктів та елементів у зрозумілій для замовника, експертів і користувачів формі, незалежній від обраної програмної та апаратної платформи;

· описувати внутрішню й зовнішню поведінку об’єктів, їх взаємодію;

· враховувати потреби різних користувачів ще на етапі проектування.

Третій розділ присвячений дослідженню задачі ідентифікації стану потокорозподілу як засобу раціональної обробки даних про інженерну мережу, що дозволяє підвищити повноту і точність технологічної інформації. Нижче наведена математична постановка цієї задачі.

Нехай множина Е дуг графу інженерної мережі складається з трьох підмножин: реальних дуг М, що відповідають ділянкам трубопроводу; фіктивних активних дуг L, що відповідають входам мережі (насосні станції, компресорні установки, газорозподільні пункти); фіктивні пасивні дуги N, що відповідають виходам мережі (споживачам). На всіх виходах і входах вимірюють витрати й напори, середні значення яких позначені та , а їх дисперсії , . Крім того, відомі залежності , що є суттєво нелінійними функціями, вигляд яких залежить від типу інженерної мережі. Дерево графу мережі вибрано таким чином, щоб входи й виходи мережі з виміряними витратами були хордами. При цьому, серед входів і виходів будуть хорди тільки з виміряними витратами (їх множини позначені індексом “21”: N21, L21), і хорди з виміряними витратами й напорами одночасно (їх множини позначені індексом “22”: N22, L22). Входи й виходи тільки з виміряними напорами віднесемо до дерева, та будемо вважати ці напори заданими:

(1)

де Щ: , (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

, (), , (). (9)

де Pj — змінні значення напорів для множин L та N, qj — змінні значення витрат для множин L та N, qr+ — відомі значення витрат для L21 и N21, Pi+ — відомі значення напорів для N1, b1ri — елементи підматриці дерева цикломатичної матриці графу інженерної мережі. За незалежні змінні візьмемо витрати . Тоді необхідні умови точки мінімуму задачі (1 – 9) приймуть такий вигляд:

, (10)

де . (11)

Таким чином, вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі зводиться до вирішення двох систем нелінійних рівнянь (2) і (11) відносно витрат з подальшим обчисленням напорів і за рівняннями (3 - 7).

Розв’язання цієї задачі характеризується поганою збіжністю і великим обсягом обчислень. Попередні експериментальні дослідження існуючих методів були проведені в три етапи:

1. На першому етапі були проведені експериментальні дослідження методів розв’язання систем нелінійних рівнянь, зокрема методу Ньютона та модифікації методу Ньютона на базі діагоналізації матриці Гессе. Теоретичне обґрунтування останнього методу вказувало на його підвищену збіжність навіть у випадку погано обумовленого гессіану, але не було експериментальних доказів цього положення. Експериментальні дослідження, що проводились на наборі тестових функції, підтвердили його збіжність у 100 відсотках експерименту.

2. На другому етапі досліджували методи вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі. Дослідження дозволили дійти аналогічного висновку: стосовно до задачі ідентифікації стану потокорозподілу модифікація методу Ньютона має підвищену збіжність, але було відмічено, що час розрахунку в неї найдовший.

3. На третьому етапі для скорочення часу розрахунку було запропоновано розбити змінні на дві групи і внаслідок цього розбити гессіан на блоки:

(12)

де Н11 - похідні вектора нев’язки (2) за змінними множини М2;

Н22- похідні функцій (4, 6) за змінними множини L22N22;

Н12- похідні вектора нев’язки (2) за змінними множини L22N22;

Н21- похідні функцій (4, 6) за змінними множини М2.

Такий підхід дозволив допрацювати досліджувані методи в часті порядку приросту незалежних змінних, виконуючи такий приріст по групах, а не кожної змінної окремо. У результаті дослідження цих групових методів було доведено, що час розрахунку скоротився для всіх методів.

Подальші дослідження дозволили довести, що перший блок гессіана, при заданому порядку нумерації змінних, співпадає з гессіаном прямої задачі аналізу потокорозподілу. Як було доведено професором Євдокімовим А. Г., відповідна система нелінійних рівнянь має рішення, причому єдине, тобто цей блок гессіану для гарантованої збіжності ітераційного процесу не потребує додаткової процедури діагоналізації.

Враховуючи ці властивості запропоновано комбінований метод розв’язання задачі ідентифікації, який полягає в наступному:

Після побудови нелінійних рівнянь (2), (11) розіб’ємо незалежні змінні задачі (витрати кожної ділянки мережі, як реальної так і фіктивної), на дві групи. У першу групу будуть входити витрати хорд М2, в другу — витрати хорд множини L22N22. На кожному кроці комбінованого методу виконуються такі дії:

1. Формування блоку матриці Гессе Н11 і вектор нев’язки розміру m2.

2. Крок методу Ньютона, тобто приріст незалежних змінних першої групи за формулою:

3. Перерахування напорів витрат за рівнянням (3 - 7).

4. Виконуємо перехід до другої групи змінних і формуємо блок гессіана Н22 і вектор нев’язки розміру l22+n22.

5. Крок модифікації методу Ньютона з діагоналізацією матриці Гессе.

6. Знову перерахунок напорів та витрат , за рівняннями (3 - 7), перевірка ознаки закінчення процесу.

Запропонований метод розв’язання задачі ідентифікації стану, з одного боку, підвищує збіжність обчислювального процесу, а з другого дозволяє скоротити час розрахунку на одній ітерації за рахунок відмови від процедури діагоналізації першого блоку матриці Гессе і скорочення розміру матриць для діагоналізації та обернення.

У другій частині третього розділу розглянуто методи обробки топологічної інформації про регіональну мережу, а саме методи вибору довільного дерева графу мережі та методи обчислення її матриць. Для вирішення задачі раціональної обробки топологічних даних було розроблено метод автоматизованої побудови дерева графу і обчислення матриць мережі.

Цей метод є поширенням існуючого алгоритму міток і базується на об’єктно-орієнтований моделі, що була розроблена під час проектування Інформаційного забезпечення ІІСУ. Ключовою особливістю цієї моделі є подвійне представлення інженерної мережі у вигляді сукупності логічної та геометричної мережі. Призначення логічної мережі полягає в сховищі інформації про зв’язки в мережі, а не про її просторові координати. Крім того, розглядаючи всі елементи мережі як вузлові пари, та вводячи замість джерел та споживачів фіктивні лінійні об’єкти, ми отримуємо можливість обробляти всі елементи мережі в одному масиві.

Розроблений метод полягає в наступному. На основі загального масиву даних, що описують мережу, автоматично формуються динамічні масиви вузлів (розмірності v+1) і лінійних елементів мережі (розмірності e), включаючи реальні й фіктивні ділянки. Кожний масив доповнюється мітками його елементів. Мітки елементів, що обовязково мають ввійти до дерева автоматизовано встановлюють в одиницю, наприклад при вирішенні розглянутої вище задачі ідентифікації стану в одиницю встановлюють мітки фіктивних ділянок і відповідних вузлів, у яких розміщенні вимірювачі напору. Якщо є потреба, доповнюємо дерево реальними ділянками, використовуючи класичній метод міток. Далі використовуючи початковий масив формуємо матрицю інциденцій та виконуємо її декомпозицію на підматрицю дерева та підматрицю хорд:

.

Обчислимо матрицю В1 за формулою

,

і доповнимо її до цикломатичної матриці B шляхом приєднання з правого боку одиничної матриці відповідної розмірності.

Таким чином, в результаті запропонованого методу виконується обробка топологічних даних про інженерну мережу, що дозволяє підготувати ці дані для подальшого їх використання при управлінні. На основі цього методу був реалізований алгоритм еквівалентування ділянок, що дозволяє знизити розмірність мережі, крім того цей метод використовується при реалізації імітаційного моделювання при виборі точок розміщення вимірювальних приладів, при вирішенні задач моделювання потокорозподілу, зокрема для задачі ідентифікації стану потокорозподілу.

Четвертий розділ. Технологічні данні про інженерну мережу, отримані в результаті математичної обробки (зокрема методів запропонованих вище) та доповнені розрахунками та нормативними даними, проходять етап реєстрації в оперативних документах та документах постійного зберігання. Великий обсяг таких документів, неоднорідність інформації, невпорядкований характер формування та функціонування документообігу, ручна обробка інформації призводить до дублювання інформаційних елементів, завеликого часу обробки. Такий стан інформаційних потоків (ІП) у регіональних інженерних мережах обумовлює актуальність їх корекції з метою виключення дублювання та зниження часу обробки інформації.

При проведенні корекції інформаційних потоків необхідно оцінити ефективність обробки інформаційних потоків та обґрунтувати потребу в корекції, та оцінити якість вжитих заходів.

На підприємстві існують інформаційні потоки I, що становлять сукупність документів, що є в свою чергу сукупністю елементів:

, де , та , , (13)

де Dj — j-й документ, Eij — i-й елемент в j-м документі, n — кількість документів у обігу, mj — кількість елементів в документі j.

Враховуючи великій обсяг документів, та з огляду проведеного апріорного дослідження галузі, введемо критерій раціональності інформаційних потоків у вигляді адитивної функції лінійних форм:

, , (14)

де kj — кількість груп однорідних елементів в документі j, eij —кількість елементів у групі і, аij — вагові коефіцієнти що характеризують важливість конкретного елементу в документі.

Для підтвердження апріорно сформульованого критерію В та обчислення вагових коефіцієнтів аij було використано метод елементарних суджень з групи методів експертних оцінок, що дозволив отримати вибірку значень ефективності конкретних документів в залежності від їх якісного складу. Отримана вибірка була оброблена за допомогою методу найменших квадратів, що дозволило обчислити коефіцієнти аij:

(15)

Введений аij назвемо показником доцільності елементу i в документі j.

Для оцінки затрат часу на обробку інформації введено допоміжний критерій:

(16)

де tj — час обробки документу; Tj — період обробки.

Оплата праці оператора становить суттєву частку вартості обробки інформації, тому було прийняте вважати час обробки документу його вартісною характеристикою. Тому введений вище критерій був використаний для порівняльної оцінки вартості обробки різних документів і внаслідок цього отримав назву критерій умовної вартості обробки. Для спрощення оцінки значень, що приймає введений критерій було запропоновано використовувати порівняльну оцінку С0, що характеризує оптимальний час обробки довільного документу та визначається на множині документів однієї групи методами дослідження документообігу, зокрема, методом типових груп.

Розглянемо документ як сукупність двійок, що характеризують групи однорідних елементів згідно з (13):

,, .

Розуміючи під корекцією перетворення кількісного та якісного складу документу з метою підвищення раціональності їх обробки в сенсі введеного тут критерію В, введемо оператори И1, И2, И3 що описують операції вилучення дубльованих, вилучення неінформативних та скорочення реквізитів. Сукупно представимо їх у вигляді узагальненого оператору И, який назвемо оператором корекції:

. (17)

Причому перетворення документу Dj в D’j має на увазі скорочення числа елементів eij до eij, за рахунок виключення дубльованих і зниження кількості реквізитів за наступним правилом:

, . (18)

На основі введеного оператору розроблено метод корекції інформаційних потоків, що включає три етапи.

На першому приймається рішення ф1 (B,C) щодо необхідності корекції:

(19)

де та — межи допустимого відхилення для критеріїв В та С відповідно, (I) — оператор корекції інформаційних потоків, stop — закінчення робіт у зв’язку з тим обробка інформації організована раціонально та часові витрати достатньо мали, тобто в корекції немає потреби, — закінчення робіт у зв’язку з тим, що обробка організована раціонально але високі часові витрати свідчать про необхідність зміни технології обробки, що виходить за межи корекції і потребує прийняття рішення на більш високому рівні.

На другому етапі виконується корекція згідно з визначеним оператором (I) (17, 18). На цьому етапі доцільно використовувати методи візуалізації інформаційних потоків наприклад DFD - діаграми з родини CASE-засобів, як це було зроблено в цій роботі.

На третьому етапі необхідно виконати оцінку ефективності проведених заходів корекції, та прийняти рішення ф2 (Bґ,Cґ) щодо завершення робіт:

(20)

де І — сукупність скоректованих інформаційних потоків, В, С — критерії обчислені для сукупності І, И(?)— оператор корекції для отриманої сукупності інформаційних потоків, stop — закінчення робіт у зв’язку з успіхом проведених заходів, <stop,rec> — закінчення робіт у зв’язку з достатнім підвищенням раціональності обробки інформації потоків, та видача рекомендацій щодо необхідності зміни технології обробки на більш високий рівень управління.

Запропонований метод дозволяє: обчислити критерії ефективності інформаційних потоків; прийняти рішення про необхідність їх корекції; формалізувати дії при корекції, та оцінити ефективність вжитих заходів.

Практичне використання запропонованого методу корекції інформаційних потоків на ТВО „Харківкомунпромвод” дозволило виявити, що критерій раціональності документообігу становить близько 1/2. Причому для схову інформації використовується декілька окремих сховищ, з яких близько 60% — паперові. Це призводить до неефективного документообігу, недостатності інформаційної бази для вирішення задач управління, зокрема задач прогнозування та проектування; несвоєчасності прийняття рішень. Тому було запропоновано провести корекцію інформаційних потоків по вилученню дубльованих елементів та переспрямуванню їх в єдине інформаційне сховище. Проведення такої корекції дозволило створити умови для реалізації підходу управління на базі єдиного інформаційного ресурсу, і підвищити раціональність обробки даних на етапі реєстрації.

Розділ п’ятий присвячений реалізації положень, досліджених в інших розділах. Обираючи технологію реалізації, були розглянуті найбільш поширені технології в галузі інженерних комунікацій: САПР, АМ/FM та ГІС. Слід зазначити, що інженерна мережа в перших двох з них відображається не як просторовий об’єкт, а як схема, що не має географічних координат. Такий підхід призводить до того, що мережа відірвана від оточуючого середовища і таким чином інформація про неї є неповною. Це не дозволяє вирішувати цілу низку задач управління. Таким чином, доцільність використання ГІС - технологій при створенні інформаційних систем управління інженерними мережами зумовлена наступними факторами: природою PIM, що є просторовими об’єктами; комплексним складом задач, що вимагають залучення додаткових даних щодо оточуючого середовища регіону; а також можливостями ГІС-технології інтегрувати різні інформаційні технології, серед яких можна назвати автоматизоване креслення, ведення баз даних, просторовий аналіз, обчислення маршрутів та ін. Як програмний продукт, що реалізує ГІС-технології був обраний пакет ArcGIS 8.1.

У додатках наведено ілюстрації досліджень існуючих методів і використання розроблених методик та методів.

висновки

У дисертаційній роботі наведено теоретичне обґрунтування і нове вирішення наукової задачі, що полягає в розробці методів та алгоритмів раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами.

1. Аналіз сучасної науково-технічної інформації та процесів управління на підприємствах регіональних інженерних мереж дозволив встановити, що існуючий підхід до інформатизації управління на цих підприємствах не забезпечує достатній рівень повноти, точності та актуальності інформації і тим самим знижує якість інформаційного забезпечення управлінських задач що призводить до зниження ефективності управління.

2. В якості засобу раціональної обробки технологічних даних розроблено метод вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі, що дозволяє врахувати специфічні властивості задачі, підвищити збіжність та скоротити обсяг обчислень при виконанні раціональної обробці даних про інженерну мережу. Розроблений метод базується на властивостях матриці Гессе, і дозволяє виділити її погано зумовлений блок з метою підвищення збіжності за допомогою спеціальної процедури діагноналізції. Крім того використовується груповий спуск змінних для скорочення обсягу та підвищення швидкості обчислень. На основі запропонованого методу розроблено алгоритм і програмну реалізацію для вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі.

3. Розроблено метод та алгоритм автоматизованого вибору дерева графу та побудови основних матриць інженерної мережі, який використовується як інструмент раціональної обробки топологічних даних. Цей алгоритм є удосконаленням класичного методу міток шляхом використання спеціальної моделі інженерної мережі, а також шляхом доповнення процедурами обчислення матриць. Розроблений метод дозволяє збудувати остовне дерево, обчислити основні матриці мережі, тим самим підготувавши графічне уявлення мережі до обчислювальних задач моделювання потокорозподілу. На основі запропонованого методу розроблено алгоритм і програмну реалізацію.

3. Розроблено оцінки ефективності обробки інформаційних потоків, які включають показник доцільності, критерії раціональності та умовної вартості обробки. Запропоновані оцінки дозволяють врахувати особливості документообігу на підприємствах РІМ, а саме великий обсяг, змішану технологію обробки, наявність стандартизованих документів тощо; кількісно оцінити раціональність обробки окремих документів та інформаційних потоків у цілому; кількісно оцінити ефективність вжитих заходів щодо проведеної корекції інформаційних потоків.

4. Розроблено метод корекції інформаційних потоків на підприємствах регіональних інженерних мереж, що базується на запропонованих вище оцінках та на формалізованому оператору перетворення документів. Розроблений метод дозволяє вилучити дубльовані елементи; оцінити ефективність обробки та корекції інформаційних потоків на підприємствах регіональних інженерних мереж.

6. Всі розроблені в дисертаційній роботі реалізовані в інтегрованій інформаційній системі управління, що є комплексом баз даних та програм і використовується для раціональної обробки даних при управлінні регіональною інженерною мережею водопостачання. Розроблений комплекс дозволяє: акумулювати розрізнену інформацію за допомогою єдиного сховища даних; вирішувати задачу ідентифікації стану потокорозподілу мережі водопостачання за допомогою нового алгоритму підвищеної збіжності.

7. Основні результати роботи впроваджені в ТВО “Харківкомунпромвод”, окремі результати запроваджені в навчальний процес Харківської державної академії міського господарства.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Манакова Н. О. Евдокимов А. А. Многоэкстремальная тестовая функция для оценки эффективности методов безусловной оптимизации //АСУ и приборы автоматики –2000.- Вып. 113. – С.124-130.

2. Евдокимов А. А., Манакова Н. О. Об одной процедуре генерации многоэкстремальной тестовой функции для оценки эффективности методов безусловной оптимизации. //Х.:ХНУ, Вiсник Харкiвського нацiонального унiверситету iм. В. Н. Каразiна № 506. - 2001. – Ч. 2, С.71–73.

3. Манакова Н. О. Процедура автоматизированного выбора дерева графа инженерной сети. // Радиоэлектроника и информатика. - 2001, №4 - С.155-157.

4. Евдокимов А.А., Григорьев А.В., Манакова Н.О. Об одном алгоритме решения задачи идентификации состояния потокораспределения в инженерной сети //АСУ и приборы автоматики –2001.- Вып. 117.- С.50-55.

5. Евдокимов А. А., Манакова Н. О. Об одном подходе к решению задачи математического программирования // 3-й Міжнародний молодіжний форум "Радіоелектроніка і молодь у XXI ст." – Харьков: ХГТУРЭ, 1999. — С.400-402.

6. Манакова Н.О., Евдокимов А.А. Об одном классе задач потокораспределения в инженерных сетях // 3-й Міжнародний форум "Радіоелектроніка і молодь у XXI ст." – Харьков: ХГТУРЭ, 1999. — С.402-404.

7. Евдокимов А. Г. Манакова Н. О. Модификация метода Ньютона безусловной минимизации повышенной сходимости // Радиоэлектроника и информатика. 2000.- №3 - С.155-159.

8. Манакова Н. О. Методика проектирования информационной системы управления и исследование информационных потоков в региональных инженерных сетях // Коммунальное хозяйство городов. 2003.-№47–С. 275-279.

9. Гавриленко И.А., Манакова Н.О. Анализ эффективности информационных систем управления с использованием CASE – средств // Коммунальное хозяйство городов. 2003.-№48–С. 249-253.

10. Манакова Н.О., Белогурова А.В., Гавриленко И.А. Информационные потоки в системе управления городской инженерной сетью // Радиоэлектроника и информатика. 2003.- №1 - С.129-134.

11. Манакова Н.О., Евдокимов А.А. Качество и эффективность функционирования систем водоснабжения и водотведения // 5-й Міжнародний форум "Радіоелектроніка і молодь у XXI ст." – Харьков: ХГТУРЭ, 2001. — С.400-401.

Анотація

Манакова Н. О. Методи та алгоритми раціональної обробки даних при автоматизованому управлінні регіональними інженерними мережами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. Харківський національний університет радіоелектроніки. Харків, 2004.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню раціональності обробки даних в процесі управління на всіх етапах експлуатації і розвитку. У роботі розроблено метод вирішення задачі ідентифікації стану потокорозподілу в інженерній мережі, що дозволяє підвищити збіжність обчислювального процесу та скоротити обсяг обчислень при обробці даних вимірювань на інженерній мережі. Розроблено метод побудови дерева графу та обчислення основних матриць мережі, що є поширенням алгоритму міток шляхом введення подвійної моделі інженерної мережі, що дозволило ввести до дерева фіктивні ділянки. Для оцінювання раціональності обробки даних на етапи їх реєстрації в документах введено критерії оцінювання та формалізований метод підвищення раціональності обробки даних з метою вилучення дубльованих та неінформативних інформаційних елементів.

Ключові слова: регіональна інженерна мережа, потокорозподіл, критерій, обробка даних, дерево графу, документ.

SUMMARY

Manakova N.O. Techniques and algorithms of rational data processing for regional engineering networks automated management. — Manuscript.

Thesis for candidate’s degree by speciality 05.13.06 – automated management systems and progressive information technologies. Kharkov national University of radioelectronics. Kharkov, 2004.

The thesis highlights the problems concerning the improvement of information processing and the application efficiency in the process of management for all stages of exploitation and development. In the thesis the technique of the solution of the identification for the flow-distribution state in engineering networks is worked out. The technique mentioned allows improving the coincidence and reducing the scope of calculation for accomplishing data processing of measurements on engineering network. The technique for building basis matrices as well as the tree of graphs of the engineering network is introduced, which is considered to be an extension of classical labels algorithm and is used as the tool of topological information processing. For improvement rational information processing at a stage of formation of information flows criteria for it estimation and the formulized technique is developed, allowing to define quantitative of the efficiency for organization and reorganization of information flows.

Key words: regional engineering network, flow-distribution, criterion, data processing, tree of graph, information flow.

АННОТАЦИЯ

Манакова Н.О. Методы и алгоритмы рациональной обработки данных при автоматизированном управлении региональными инженерными сетями. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Харьков, 2004.

Диссертационная работа посвящена усовершенствованию методов управления региональными инженерными сетями и направлена на повышение рациональности обработки данных в процессе автоматизированного управления на всех этапах эксплуатация и развития. Суть подхода к достижению поставленной цели заключается в создании единого информационного ресурса, который позволит объединить все подсистемы региональной инженерной сети и обеспечить качественно новый уровень использования и обработки данных. Кроме того в данной диссертационной работе разрабатываются некоторые методы математической обработки данных, позволяющих повысить точность и полноту данных, или усовершенствовать собственно процедуру обработки.

Основой информации об инженерной сети является технологическая информация, которая поступает с установленных на сети измерительных приборов. Такая информация является недостаточно полной и точной в силу ограниченности числа измерительных приборов и погрешности измерения. Поэтому в качестве инструмента рациональной обработки измеренных данных рассматривается задача идентификация состояния потокораспределения в инженерной сети, которая позволяет построить модель установившегося потокраспределения в сети на основе частично измеренных переменных характеристик потока. Указанная задача является задачей математического программирования с ограничениями в виде равенств, которая при определенном выборе системы независимых переменных может быть сведена к решению систем нелинейных уравнений. Разработке метода решения данной задачи предшествовали экспериментальные исследования существующих методов с помощью набора тестовых функций, обладающих рядом ловушек.

В результате проведенных исследований разработан комбинированный метод решения задачи идентификации состояния потокораспределения в инженерной сети, который позволяет учесть специфические особенности задачи, повысить сходимость вычислительного процесса, сократить объем вычислений и вычислить полную модель потокораспределения в инженерной сети при выполнении обработки данных по результатам измерения. Разработанный метод базируется на особенностях матрицы Гессе и позволяет выделить ее плохообусловленный блок с целью повышения сходимости с помощью специальной процедуры диагонализации. На основе предложенного метода разработан алгоритм и программная реализация для решения задачи идентификации состояния потокораспределения в