НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МОДЕЛЮВАННЯ В ЕНЕРГЕТИЦІ ІМ. Г.Є. ПУХОВА

Разінков Дмитро Сергійович

УДК 683.1

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ЯКІСНОГО МОДЕЛЮВАННЯ

КРИТИЧНИХ ЗА УМОВАМИ БЕЗПЕКИ

МЕРЕЖНИХ ДИНАМІЧНИХ СИСТЕМ

Спеціальність 01.05.02 - “Математичне моделювання та обчислювальні методи”

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі електронних обчислювальних машин Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник доктор технічних наук, професор
Святний Володимир Андрійович,
завідувач кафедри електронних обчислювальних машин
Донецького національного технічного університету

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник
Саух Сергій Євгенович,
провідний науковий співробітник Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України

кандидат технічних наук, доцент
Ладиженський Юрій Валентинович,
доцент кафедри прикладної математики та інформатики Донецького національного технічного університету

Провідна установа Національний технічний університетУкраїни
“Київський політехнічний інститут”
Міністерства освіти і науки України,
кафедра обчислювальної техніки, м. Київ

Захист відбудеться “29” січня 2004 року о 14 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .185.01 Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України за адресою: м. Київ-164, вул. Генерала Наумова, 15.

Автореферат розісланий “___” грудня 2003 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Семагіна Е.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Технологічні процеси, засоби енергетики й транспорту, підприємства ряду галузей промисловості, експлуатація яких пов’язана з можливими аварійними ситуаціями, небезпечними для людей і навколишнього середовища, є об'єктами, критичними за умовами безпеки (ОКБ). Теорія, методи інженерного проектування та технічної реалізації цих об'єктів у різних предметних областях потребують модельної підтримки й супроводу. Розробка достовірних математичних моделей та їх ефективна апаратно-програмна реалізація розвиваються в двох напрямках: створення універсальних засобів моделювання і проблемно-орієнтованих середовищ та систем. Основою модельного супроводу розробок як самих ОКБ, так і їхніх систем керування є кількісні моделі, що описуються алгебро-диференціальними рівняннями (звичайними і в часткових похідних). Для аналізу безпеки необхідно вирішувати питання контролю небезпечних режимів роботи, прогнозування та складання планів ліквідації наслідків можливих аварій, аналізу виниклих аварій з метою встановлення їхніх причин, а також розробки заходів щодо запобігання аварійних ситуацій. До вирішення цих задач в останні роки залучаються методи моделювання, засновані на якісному представленні інформації, наближеному до людської нечіткої форми світосприйняття. Розгляд лише істотних характеристик і якісних змін дозволяє здійснювати моделювання об'єктів і систем на основі неповної інформації, що полегшує аналіз і робить використання якісних моделей доступним широкому колу фахівців у різних технічних галузях.

Існуючі методи побудови якісних моделей трудомісткі для експертів предметної області як на етапах виділення якісних характеристик і встановлення зв'язків між якісними ситуаціями досліджуваного об'єкта, так і при аналізі результатів. Виникає необхідність у розробці методів і засобів комп'ютерної підтримки всіх етапів побудови та використання якісних моделей.

Формальний опис ОКБ містить представлення топології та систему рівнянь фізичних процесів. У ряді предметних областей (електроенергетика, гірнича справа, водопостачання, пневматика й гідравліка, газорозподіл та ін.) характерними є мережні топології, що представляються графами. Для цього класу об'єктів теорія та методи якісного моделювання розроблені в недостатній мірі. Апробація ідей і узагальнення опису мережних ОКБ різних предметних областей має важливе науково-методичне значення для загальної теорії якісного моделювання і для створення проблемно-орієнтованих моделюючих середовищ (ПОМС). У рамках ПОМС представляють науковий і практичний інтерес задачі побудови комбінованих кількісно-якісних моделей і засобів їхньої реалізації.

Для вітчизняної економіки важливою галуззю є вугільна промисловість. Предметна область “Шахтні вентиляційні мережі (ШВМ) і безпека праці гірників” гостро потребує методів і засобів аналізу аерогазодинамічних процесів, оперативного керування вентиляцією з метою забезпечення планової продуктивності та недопущення аварійних вибухонебезпечних ситуацій. Задачі якісного моделювання аерогазодинамічних процесів у схемах провітрювання добувних ділянок і у ШВМ як об'єктах контролю та керування безпекою є новими, їхнє вирішення є актуальною науковою проблемою і має наукове значення для мережних ОКБ й інших предметних областей.

Метою даної роботи є розвиток формальних методів якісного опису процесів і створення засобів якісного ситуаційного моделювання, що дозволять оперативно вирішувати задачі оцінки безпеки мережних динамічних систем, яким притаманні потенційно небезпечні компоненти і режими функціонування.

Досягнення вказаної мети здійснюється рішенням наступних задач досліджень:

1. Математичний опис якісних ситуаційних моделей мережних динамічних систем (МДС).

2. Розробка методів побудови й випробування якісних ситуаційних динамічних моделей (ЯСДМ).

3. Імплементація програмних засобів якісного моделювання, інтеграція ЯСДМ із кількісними моделями МДС, реальними об'єктами (РО), побудова комбінованого моделюючого комплексу.

4. Побудова й експериментальне дослідження ЯСДМ на прикладі шахтних вентиляційних мереж.

5. Розробка методики модельної підтримки аналізу безпеки на основі ЯСДМ.

Методи дослідження носять теоретичний і експериментальний характер. При проведенні досліджень і розробок використовувалися методи математичного моделювання, прикладної й обчислювальної математики, теорії диференційних рівнянь, апарат лінійної алгебри, зокрема теорії матриць. Отримані результати перевірялися шляхом проведення обчислювальних експериментів на ЕОМ.

Наукова новизна дисертації полягає в наступному:

1. Дано формальний математичний опис параметрів і ситуацій якісних ситуаційних динамічних моделей мережних систем, який на відміну від існуючих методів містить у собі часові характеристики. Введено нові поняття і функції для представлення динамічних властивостей параметрів і ситуацій. Якісну ситуаційну модель представлено у вигляді системи матричних співвідношень, що дозволяє одноманітно описувати поведінку вихідних інтервальних змінних об'єктів довільної складності.

2. Розроблено і досліджено методи автоматизованої побудови якісних моделей на основі випробувань кількісних моделей або реальних об'єктів. Запропоновано два методи підвищення точності динамічних характеристик якісних моделей: перший полягає в пропуску несуттєвих ситуацій, другий метод заснований на вимірі тривалості кожної змінної в складі ситуації і конкурентно-незалежному впливі змін параметрів на ситуацію. Розроблено методи випробувань якісних моделей з відтворенням змін параметрів у часі.

3. Розроблено засоби побудови і апробації якісних моделей, що дозволяють модифікувати базу даних якісної моделі в реальному часі, робити вибір і перетворення якісних параметрів з бази даних, вимірювати, зберігати і імітувати динамічні характеристики процесів.

4. Запропоновано метод розпаралелювання процесу побудови й випробувань якісних моделей та використання якісних моделей у сервісному розподіленому моделюючому центрі.

5. Модифіковано метод аналізу безпеки на основі дерева подій з урахуванням тривалості ситуацій як часового фактору. Запропоновано програмно-апаратну структуру систем керування безпекою.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено засоби моделювання у вигляді зовнішніх програмних модулів для системи MATLAB-SIMULINK. На основі цих модулів побудовані наступні загальні моделі:

· модель для заповнення інтервальної таблиці – опису якісних змінних;

· модель для заповнення ситуаційної таблиці – статичного опису ситуацій;

· модель успадкування динамічних характеристик від кількісних моделей – заповнення динамічної ситуаційної таблиці;

· модель для виміру й збереження динамічних характеристик окремих якісних змінних (метод “Гонки змінних”);

· модель для відтворення динамічних характеристик якісної моделі за методом “Гонки змінних”;

· модель якісного квантування кількісних моделей;

· модель збереження якісної історії кількісних моделей.

Практична цінність цих модулів показана на прикладі побудови й дослідження якісних моделей тестової вентиляційної мережі вугільної шахти.

Апробація. Результати роботи доповідалися на міжнародних семінарах “Проблеми моделювання й автоматизації проектування динамічних систем” ДонНТУ (1997, 1998, 2000, 2001), на симпозіумі по моделюванню ASIM (1999, 2000, 2003, Німеччина), на наукових конференціях ДонНТУ (1999, 2000), на робочих семінарах кафедри ЕОМ ДонНТУ й інституту Автоматизації і програмного забезпечення Штутгартського університету (Німеччина).

Зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами. Робота виконана за держтемою кафедри ЕОМ H25-2000 УДК 681.3 “Дослідження і розробка засобів програмної підтримки проектування інформаційних технологій і комп'ютерних систем”, відповідає розділу державної програми “Розробка конкурентоспроможних методів моделювання складних систем” та темі угоди про наукове співробітництво з Штутгартським університетом “Розробка якісних моделей мережних динамічних систем, критичних за умовами безпеки”. Автор брав участь у цих дослідженнях як виконавець.

Публікації. Результати роботи опубліковані в 4 статтях у наукових збірниках, що входять у перелік видань ВАК України та в трьох статтях, написаних у співавторстві, у збірнику праць міжнародного симпозіуму по моделюванню ASIM.

Структура й обсяг роботи. Текст дисертації складається з 5 розділів, двох додатків і включає 85 рисунків та 9 таблиць – усього 167 сторінок, основний текст дисертації містить 144 сторінки.

ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі дається визначення мережної динамічної системи (МДС) і приводяться критерії, що визначають її складність. МДС описуються наступними матричними рівняннями для вузлів

AQ=0, (1)

і замкнутих контурів

, (2)

де А – матриця інциденцій, Q - вектор потоків, S – матриця контурів; R, K – діагональні матриці аеродинамічних параметрів, Z – вектор з елементами виду Qi|Qi|; H – вектор тисків вентиляторів. Елементи цього вектора можуть бути нелінійними функціями від струмів (потоків) Hi(Qi).

Також приведені рівняння газодинаміки та елементів керування в гілках мережі.

Проведено класифікацію методів моделювання МДС кількісними методами.

Дано огляд якісних методів моделювання. Особлива увага приділена методу SQMA (Situationsbasierte Qualitative Modelierung und Analyse), докладно описані його характеристики, способи опису моделей, табличні представлення і правила переходів, визначені переваги та недоліки методу.

Виконано огляд сучасних методів аналізу безпеки систем. Виділені їхні основні функції. Дано короткий опис індуктивних методів: PAAG(HAZOP) (Prognose eines Ereignisses - Auffinden der Ursachen - Abschaetzen der Auswirkungen - Gegenmassnahmen (HAZOP – Hazard Operability Study), FMEA (Failure Mode and Effect Analysis), SQMA (Situationsbasierte Qualitative Modelierung und Analyse), Аналіз Дерева Подій (Event Tree Analysis), а також дедуктивних методів: PSA (Probabilistic Safety Assessment), “Аналіз Дерева Несправностей” (Fault Tree Analysis). Виявлені основні недоліки методів.

Проведено огляд і дана класифікація існуючих засобів кількісного і якісного моделювання.

У результаті огляду інформації з моделювання й аналізу мережних динамічних систем, а також якісних підходів до опису та моделювання визначені задачі досліджень і розробок.

У другому розділі представлені формальний опис і методи побудови якісних моделей. У першу чергу дано інтервальний опис якісних змінних (рис. 1):

Рис. 1. Якісне інтервальне представлення характеристик.

Якісна змінна представляється через інтервали:

. (3)

З іншого боку, вона представлена вербальним описом:

. (4)

Між вербальними й інтервальними описами існує зв'язок:

. (5)

дє # - оператор зв?язку.

Для перетворення безперервних значень в інтервальні використовується якісна функція @, що знаходить інтервал, до якого належить безперервна змінна:

(6)

Введено оператори для роботи з межами інтервалів:

, (7)

, (8)

а також поняття діаметра інтервалу:

. (9)

Визначено арифметичні операції для меж інтервалу. Виведено формули для визначення нового інтервалу, що виникає в процесі додавання, віднімання, множення, ділення двох інших інтервалів. За допомогою поняття „діаметр інтервалу” показана проблема втрати точності при покрокових математичних операціях.

Введено ситуаційну змінну:

, (10)

яка може приймати значення, що відповідають конкретним ситуаціям:

. (11)

Для регулярного індексування інтервалів і змінних маємо:

, (12)

де [1;Nj], Nj – кількість інтервалів якісної змінної ; j[1;mi], mi – кількість якісних змінних ситуації $i; M _знак групового множення; % – залишок від цілочисельного ділення; / – цілочисельне ділення.

Для представлення динамічних характеристик визначається поняття векторного інтервалу (рис 2.).

Рис. 2. Зміна значення параметра об'єкту.

В аналітичній формі векторна якісна змінна має вигляд:

(13)

Для представлення динамічних характеристик і зв'язку якісних значень вводяться оператори тривалості змінної ? та переходу ?:

(14)

(15)

Аналогічно маємо для векторних ситуацій (рис. 3)

Рис. 3. Часова діаграма зміни ситуацій.

Аналітично векторна ситуація задається формулою:

(16)

Зміна будь-якого з параметрів призводить до зміни ситуації:

(17)

(18)

Представляючи змінні у вигляді матриць, маємо повний опис якісної моделі:

(19)

Далі в розділі визначено принципи декомпозиції якісних моделей, запропоновано побудову динамічних характеристик на основі кількісних моделей (рис. ), методику випробування якісних моделей (рис. 5).

Рис. 4. Методика побудови динамічної якісної моделі

Рис. 5. Методика випробування динамічної якісної моделі

Далі в розділі розглянуті проблеми точності та методи побудови якісних моделей, які можна визначити як “Нечіткий аналіз переходів” і “Гонки змінних”. Перший метод полягає в ігноруванні несуттєвих ситуацій, а другий – у вимірі тривалості кожної змінної у складі ситуації і конкурентно-незалежному впливі змін параметрів на ситуацію в цілому при випробуваннях.

В третьому розділі описані засоби моделювання, створені в процесі роботи над дисертацією.

Виділено загальні вимоги до засобів комп'ютерної підтримки моделювання. Запропоновано інтегроване якісно-кількісне моделююче середовище. Розглянуті концептуальні особливості функціонування якісних засобів моделювання, які класификовані за їхнім призначенням:

1. Створення моделі – заповнення та відновлення ситуаційних таблиць.

2. Маніпуляція готовими таблицями.

3. Зв'язок з безперервними параметрами.

Перша група містить два компоненти – табличний розширювач і табличний модифікатор.

Табличний розширювач додає нові записи до таблиці, його основне призначення – формування ситуаційної таблиці шляхом вставки нових ситуацій-записів у кінець таблиці.

Табличний модифікатор служить для зміни існуючих записів у таблиці. За допомогою цього компонента перезаписуються характеристики ситуацій – значення змінних.

До наступної другої групи компонентів відносяться ситуаційний селектор і якісний фільтр, що призначені відповідно для роботи з ситуаційною та інтервальною таблицями.

Ситуаційний селектор зчитує з таблиці ситуацій будь-які параметри конкретної ситуації. Вибір ситуації здійснюється за її унікальнм ідентифікатором або за унікальною комбінацією якісних значень.

Якісний фільтр працює з якісним описом змінних, зчитує з інтервальної таблиці інформацію про конкретний інтервал – його межі. Інтервал ідентифікується будь-яким значенням у його області значень. Якісний фільтр може перетворювати у такий спосіб безперервні значення в інтервальні.

Третя група містить компоненти, що працюють з безперервними параметрами, зокрема з часом – вимірювач і фіксатор тривалості.

Вимірювач тривалості служить для аналізу тривалості якісного значення, вимірює проміжок часу між дискретними змінами інтервальних значень (час перебування значення в одному інтервалі) і передає величину часового інтервалу іншим компонентам.

Фіксатор тривалості має зворотну задачу – затримувати конкретне якісне значення в межах інтервалу на визначений час; він служить для відтворення якісної динамічної картини зміни параметрів об'єкта моделювання.

В четвертому розділі представлені експериментальні дослідження якісних моделей тестової шахтної вентиляційної мережі. Проведено функціональну декомпозицію об'єкта, виділено важливі стосовно якісних характеристик параметри та встановлено зв'язки між ними (рис. 6)

Рис. . Функціональна декомпозиція вентиляційної мережі

Для подальшого моделювання обрана підсистема розподілу повітря. Створено моделі для автоматичного формування інтервальних таблиць – розбивки області значень на інтервали з заданим діаметром і занесення меж інтервалів у таблицю. Побудовано моделі для автоматичного формування статичних ситуаційних таблиць. Ідентифікаторами інтервалів обрано їхні закриті межі.

Створено модель для визначення динамічних характеристик із кількісних моделей (рис. )

Рис. . Комбінована модель для визначення динамічних характеристик із кількісної моделі.

Генератор ситуацій 1 створює комбінацію значень – ситуацію, що є початковими умовами кількісної моделі 2. Зміна значень кількісної моделі 2 спостерігається за допомогою якісного фільтра 3, безперервні значення при цьому перетворюються в інтервальні. Спостереження ведуться з метою виявлення виходу змінних за межі стартового інтервалу. Для цього вихід якісного фільтра 3 порівнюється з початковими значеннями генератора 1, що виявляє зміни параметрів у більшу сторону. Щоб знайти інші зміни, за допомогою фільтра 4 визначаються сусідні інтервали кожної змінної, які менші за стартові. З цими значеннями також порівнюється вихід фільтра 3. При фіксації хоча б однієї зміни формується логічний сигнал „істина“ для вимірювача тривалості 7 (QTime). Час вимірюється з моменту старту кількісної моделі до переходу об'єкта в нову ситуацію, після чого компонент 7 видає короткочасний імпульс, амплітуда якого дорівнює тривалості ситуації. Цей імпульс змушує генератор ситуацій 1 сформувати нову ситуацію, скидає й перезапускає кількісну модель.

У момент виявлення зміни ситуації відбувається відновлення ситуаційної таблиці табличним модифікатором 8 (QUpdate). Відновлення відбувається в ситуації, номер якої отримується від селектора ситуацій 5, що знаходить його по комбінації значень від генератора 1. Селектор ситуацій 6 знаходить у таблиці ситуацій номер наступної ситуації по комбінації значень, отриманої від фільтра 3. Номер наступної ситуації та тривалість від вимірювача тривалості 7 записуються для початкової ситуації. Елементи затримок після компонентів 5 і 6 керують переходом при зменшенні значень, при цьому перетинається дві межі інтервалів, а фіксується тільки одна зміна.

Для відтворення динамічних характеристик побудована модель, показана на рис. 8 (ліворуч).

Рис. 8. Випробування якісної моделі

Для відомого номера ситуації знаходиться рядок у ситуаційній таблиці селектором ситуацій QSelect. Із запису вибирається номер наступної NID і тривалість поточної Т ситуацій. Фіксатор тривалості QDelay здійснює затримку номера наступної ситуації на тривалість T. У такий спосіб імітуються часові характеристики зміни ситуацій. Відтворені динамічні характеристики (рис. 8, праворуч) дають невисоку точність.

З метою підвищення адекватності побудовані ще дві моделі: із пропорційними інтервалами та за методом “Гонки змінних”. У методі “Гонки змінних” вимірюється та записується в таблицю тривалість кожної змінної в складі ситуації для початкових умов, що відповідають старту. У цілому ж модель аналогічна моделі на рис. 7. Для випробувань за методом “Гонки змінних” будується нова модель. Результати випробувань показують достатню точність відтворення (рис. ) .

Рис. 9. Результати випробуваннь якісної моделі за методом “Гонки змінних”

Далі в розділі описані допоміжні моделі для якісного квантування та збереження якісної історії кількісних моделей.

В п'ятому розділі представлені перспективи використання та розвитку якісного моделювання в складі моделюючого сервісного центру, показані можливості його застосування в розподіленому середовищі для модельної підтримки аналізу систем.

Розглянуті властивості якісних моделей, що дозволяють ефективно використовувати паралельні обчислювальні ресурси (рис. 10.).

Рис. 10. Схема паралельного створення якісної ситуаційної моделі

Показано можливість реалізації апаратних засобів, заснованих на якісних моделях: якісних фільтрів і регістрів ситуацій, на основі яких можуть створюватися централізовані (рис. ) або розподілені системи керування та контролю за безпекою (рис. 12).

Рис. 11. Апаратна якісна система

Рис. 12. Регістр ситуації як розподілений елемент керування (ліворуч) або як вербальний індикатор безпеки(праворуч)

Розглянуто динамічні аспекти аналізу систем на безпеку: метод “дерево подій” з урахуванням фактора часу.

У додатку А наведено математичний опис кількісної моделі тестової вентиляційної мережі, представлена сама модель у системі MATLAB/SIMULINK і результати її випробувань.

У додатку Б розміщено довідник користувача по розроблених засобах якісного моделювання, у який включені інструкція з установки, детальний опис роботи та настроювань усіх компонентів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

Представлені в даній роботі теоретичні, модельні і програмні розробки, а також експериментальні дослідження підтверджують досягнення поставлених цілей – створення спеціальних методів і засобів для побудови й випробувань якісних моделей динамічних мережних об'єктів.

Розроблені методи і засоби дозволяють створювати моделі, за допомогою яких можна відтворювати наближені динамічні характеристики складних об'єктів, не виконуючи при цьому обчислень. Методи побудови та випробувань таких моделей не залежать від фізичної природи об'єктів моделювання. Це дозволяє використовувати методи для дослідження об'єктів будь-якої предметної області. Застосування методів не обмежено обчислювальними потужностями або швидкодією, що дозволяє використовувати вже побудовані якісні моделі поза межами спеціалізованих обчислювальних центрів.

В дисертації отримані наступні результати:

1. Запропоновано математичний опис складних об'єктів у компактній формі, що досягається об'єднанням якісних змінних і їхніх значень у матриці. Введено нові поняття векторів для якісних інтервалів і ситуацій, що дозволило вказувати напрямок змін у межах одного інтервалу або ситуації, і як наслідок – зв'язувати їх між собою. Запропоновано якісні функції та оператори, що встановлюють співвідношення між якісними змінними і їхніми динамічними характеристиками.

2. Розроблені формальні методи побудови ЯСДМ, що успадковують інформацію від кількісних моделей і дозволяють автоматично одержувати характеристики зміни в межах якісного інтервалу або ситуації, вимірювати та зберігати їхні динамічні характеристики в базі даних. Також представлені методи для наступного автономного відтворення поведінки досліджуваного об'єкта – у ході випробувань ЯСДМ.

3. Для маніпуляцій з базою даних якісної моделі розроблені спеціальні програмні засоби, що інтегруються в середовище кількісного моделювання та дозволяють будувати й випробовувати якісні моделі на основі наявних кількісних моделей. Розроблені компоненти функціонально представляють оператори інтервально-ситуаційної якісної математики.

4. На основі розроблених програмних компонентів побудовано та випробувано ряд моделей тестової шахтної вентиляційної мережі. Аналіз цих моделей дозволив створити методи підвищення точності передачі характеристик при побудові та випробуванні моделей. Кращим з запропонованих методів є метод “Гонки змінних”, заснований на роздільному представленні динамічних характеристик кожної якісної змінної в ситуації. При випробуваннях моделі, побудованої за методом “Гонки змінних”, відбувається конкурентна паралельна зміна параметрів, що забезпечує при формуванні нових ситуацій найбільшу вірогідність наближення до відомих динамічних характеристик.

5. Розробка програмних модулів засобів моделювання привела до виділення функціональних блоків, які можуть бути реалізовані апаратно, що, поряд з використанням зовнішньої бази даних якісної моделі, дозволяє будувати апаратно-програмні системи керування процесами та контролю безпеки. Розроблені методи побудови якісних моделей можуть бути легко розпаралелені, що дозволяє моделювати й аналізувати складні об'єкти. Можливість збереження та відбудови динамічних характеристик дозволяє модифікувати існуючі методи аналізу безпеки на основі дерева подій, приймаючи до уваги фактор часу.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Особистий внесок автора. В статті [5], написаній у співавторстві, особистий внесок автора полягає у розробці паралельної МІМD-моделі шахтної вентиляційної мережі, в [6] ним включено якісне моделювання до складу засобів моделюючого сервісного центру. В публікації [7] автору належать формальний опис моделей, структура комбінованої системи моделювання та аналіз результатів міжнародного наукового співробітництва.

Анотація

Разінков Д. С. “Методи та засоби якісного моделювання критичних за умовами безпеки мережних динамічних систем ”. – Рукопис. Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова НАН України. Київ 2003.

Афтореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.02 - “Математичне моделювання та обчислювальні методи”. Донецький національний технічний університет, Донецьк, 2003.

Дисертація присвячена розробці методів побудови та випробувань якісних моделей для мережних динамічних об'єктів, а також розробці засобів комп'ютерної підтримки якісного і комбінованого моделювання. Запропоновано математичний опис параметрів якісної моделі, функції й оператори для зв'язку якісних змінних. Якісна модель представлена у вигляді системи матричних рівнянь. Розроблено методи спадкування динамічних характеристик від кількісних моделей. Запропоновано методи підвищення точності динамічних характеристик якісних моделей. Розроблено програмні компоненти якісного моделювання для системи MATLAB/SIMULINK. На основі цих компонентів побудовані і випробувані моделі для тестової шахтної вентиляційної мережі.

Ключові слова: мережна динамічна система, моделювання, якісний опис, інтервал, ситуація, якісна модель.

Abstract

Razinkov D.S. „Methods and tools for qualitative modelling of net dynamic systems that are critical for safety”. Manuscript. Institute of Modelling Problems in Power Engineering of the Academy of Sciences of Ukraine. Kiev. 2003

Thesis for scientific degree by speciality 01.05.02 “Mathematical modelling and calculation methods”. Donetsk state technical university, Donetsk, 2003.

The dissertation is devoted to development of methods of qualitative modelling and simulation for net dynamic systems that are critical for safety, and the tools of computer-aided support are proposal for qualitative and combined modelling. The mathematical description of qualitative models, qualitative functions and operators for relation between qualitative variables are offered. Qualitative model is presented as a system of matrix equations. Methods for inheritance of dynamic characteristic from continuous models are obtained. Methods for enhancement of precision dynamic characteristics are offered for qualitative models. Program tools of qualitative modelling are developed for MATLAB/SIMULINK. With these tools models for test ventilations net of coal mine are created and simulated.

Key word: net dynamic system, modelling, qualitative description, interval, situation, qualitative model.

Аннотация

Разинков Д. С. “Методы и средства качественного моделирования критичных по безопасности сетевых динамических систем”. – Рукопись. Институт проблем моделирования в энергетике им.Г.Е. Пухова НАН Украины. Киев. 2003

Авторефират диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.02 - “Математическое моделирование и вычислительные методы”. Донецкий национальный технический университет. Донецк, 2003.

Диссертация посвящена разработке методов построения и испытания качественных моделей для критичных по безопасности сетевых динамических объектов, а также разработке средств компьютерной поддержки качественного и комбинированного моделирования.

Предложено математическое интервальное описание параметров качественной модели и их свойств. Введены качественные и ситуационные переменные, функции и операторы для связи качественных значений и определения их динамических характеристик.

Параметры качественной модели сгруппированы в матрицы, между матрицами посредством введенных операторов установлены взаимосвязи. Качественная модель представлена в виде системы матричных соотношений, что позволяет единообразно описывать объекты произвольной сложности.

Разработаны методы построения качественных моделей, которые заключаются в автоматическом формировании базы данных качественных ситуаций и установления связей между ними. Связи между ситуациями и временные параметры получаются путем наследования динамических характеристик от количественных моделей как результат физического испытания аналитических моделей или путем испытаний реальных объектов.

Предложены методы повышения точности динамических характеристик качественных моделей “Нечеткий анализ переходов”, основанные на пропуске несущественных ситуаций при переходах и “Гонки переменных”, заключающемся в отдельном представлении динамических характеристик каждого параметра и их параллельном конкурентном влиянии на формирование новых ситуаций.

Разработана структура комбинированного моделирующего комплекса, программные компоненты качественного моделирования для системы MATLAB/SIMULINK. Средства качественного моделирования интегрируются в количественную моделирующую среду и связывают ее с базой данных качественной модели.

На основе этих компонентов по разработанным методам построены и испытаны модели для тестовой шахтной вентиляционной сети. Получены несколькими методами и сравнены с результатами количественного моделирования качественные динамические характеристики подсистемы воздухораспределения.

Рассмотрены параллельные аспекты построения и испытания качественных моделей. Предложены концепции аппаратных реализаций средств доступа к базе данных качественной модели и построения на их основе аппаратно-программных систем управления и контроля, в частности систем анализа безопасности.

Модифицирован алгоритм анализа опасностей, основанный на методе построения дерева событий. При прогнозе или анализе причин событий принимается во внимание временной фактор – длительность ситуаций.

Ключевые слова: сетевая динамическая система, моделирование, качественное описание, интервал, ситуация, качественная модель.