ПОСТРОЕНИЕ СЕТЕЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

ПРИМЕНЕНИЕ КОБОРГ-ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ПОСТРОЕНЯ СЕТЕЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

В.И.Соловьев, к.т.н., Научно-Инженерный Центр АСВЛ, г. Москва

Работа посвящена созданию интеллектуальной системы управления энерго-технологическим комплексом (ЭТК) крупного производственного предприятия или комплекса ЖКХ на базе коборг-технологии, предназначенной для диагностирования и управления сложными организованными объектами (A complicated organized objects-Coborgs), к которым относится данная предметная область. При этом ЭТК рассматривается как мультиагентная информационно-управляющая кооперация в составе общей сетецентрической архитектуры управления предприятия (ЖКХ).

Ключевые слова: сетецентрическая архитектура, кобрг-технология, диагностирование и управление мульти-агентными объектами.

Введение Учитывая, что на современном крупном предприятии энергетические затраты на производство продукции (оказание услуг) достигают 30-40% [1,2], остро встает вопрос об эффективности управления энерготехнологическим комплексом (ЭТК), которая не в последнюю очередь зависит от оперативной оценки его текущего состояния, выявления причин нарушений в функционировании ЭТК и принятия своевременных оптимальных управленческих решений. Отдавая должное современным системам автоматизации и управления объектами энергохозяйства крупного предприятия [3], представляющего сложный организованный объект, требуется отметить растущую потребность дальнейшего применения современных методов и средств IT- технологий. Они связаны с выбором актуальных проблем исследования в данной предметной области и с дальнейшим созданием соответствующих интеллектуальных IT-продуктов, позволяющих поднять на новый уровень качество управленческих решений в целях повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на крупных предприятиях и комплексах ЖКХ. Таким современным IT- продуктом, на наш взгляд, является так называемая коборг-технология, применяемая для создания интеллектуальных систем диагностирования и управления сложными сосредоточенными и распределенными объектами. [4,5]. Так как ЭТК предприятия является сложным распределенным объектом, включающим, с одной стороны, производителей и поставщиков ТЭР, а, с другой, - потребителей ТЭР, то целесообразно представить их в информационном аспекте совокупностью автономных интеллектуальных агентов – локальных коборгов, скооперированных в едином информационно-коммутируемом пространстве предприятия. Такую организованную информационно-управляющую кооперацию будем называть мультиагентным ЭТК-коборгом.

Основная часть Энерготехнологический комплекс предприятия или ЖКХ – это органически взаимосвязанные теплоэнергетические, теплотехнологические и электроэнергетические системы на основе эффективного производства и экономичного снабжения энергоносителями технологических или жилищно-хозяйственных подразделений. На рис.1 приведен фрагмент сетецентрической информационно-управляющей системы крупного предприятия с выделением кооперирующих между собой автономных интеллектуальных агентов, образующих мультиагентный ЭТК-коборг как самостоятельный сложный организм в информационном пространстве предприятия и решающий задачи по контролю и управлению за выработкой, распределением и сбережением энергоресурсов. Под интеллектуальными агентами понимаются функциональные автономные коборги, включенные в кооперацию ЭТК-Коборг.

Здесь первый слой сети ¨Ц¨- центральный коборг управления предприятием, обеспечивающий принятие стратегических, тактических решений и участие в разрешении критических или конфликтных ситуаций; второй слой – функциональные коборги предприятия или комплекса ЖКХ, управляющие соответственно производством (¨Пр¨), коммерцией (¨К¨) и финансами (¨Ф¨). Третий слой сети представляются производственными и обеспечивающими коборгами: ¨Д¨ - доменного производства, ¨С¨ - сталеплавильного производства, ¨П¨ прокатного производства, ¨Э¨- энергослужбы, ¨Т¨- службы поставок энергоносителей (сырья и топлива). Под треугольниками и прямоугольникам понимаются соответственно локальные коборги (агенты) - производители (поставки) и - потребители ТЭР в составе единого информационного пространства ЭТК-коборга предприятия. Отметим, что в рамках этой же сетецентрической архитектуры предприятия могут создаваться и другие информационно-управляющие организации путем кооперации соответствующих автономных коборгов и агентов в соответствующие мультиагентные коборги (например, производственно-сбытовой, финансово - экономический, механо-технологический, экологический и др.). Принципиально отметить, что эти информационно-управляющие кооперации создаются в рамках существующей иерархической системы управления путем добавления новых связей между одноранговыми (горизонтальными) коборг-элементами, позволяющих повысить эффективность информационного обмена внутри системы и ее действия по показателям оперативности и устойчивости управления.[6]. Однако при внедрении сетевой системы управления иерархическая структура не упраздняется, а лишь добавляются новые связи между одноранговыми элементами посредством компьютерной ¨р2р¨ сети. Введение в организационную структуру системы управления сетевых элементов позволяет усилить взаимодействие между отдельными ее звеньями и сделать их более информационно-насыщенными.[7]. Для оперативного управления такими многоагентными кооперациями может эффективно применяться коборг-технология, предназначенная, как было указано выше, для диагностирования текущего состояния и управления сложными организованными объектами - коборгами (A complicated organized objects-Coborgs). Суть ее заключается в представлении таких объектов некоторым организованным единством всех согласованно действующих в них органов (процессов, систем, компонентов или функциональных узлов), не относящиеся к животному или растительному миру, но обладающих основными свойствами живых организмов. Основными свойствами коборгов являются: 1). наличие в их составе: - функциональных органов (компонентов, систем, узлов) и процессов в них происходящих; - наблюдаемых внутренних параметров состояния (ВПС) органов коборга, которые представляются в виде различных нормативов, заданных диапазонов и траекторий, предельно допустимых минимальных или максимальных величин, определяющих нормальное (запланированное) состояние каждого органа и коборга в целом; 2). в их способности: - принимать и обрабатывать поступающую на его входы информацию в реальном времени; - воспринимать, хранить, использовать и представлять знания в данной предметной области; - диагностировать текущее состояние органов и коборга в целом и своевременно обнаруживать намечающиеся расстройства и заболевания; - выявлять причины расстройства или заболевания отдельных органов и коборга в целом; - формировать управляющие воздействия по ликвидации намечающегося расстройства функционирования или заболевания коборга. Описанные свойства коборга относятся как к их локальной, так и распределенной структуре. В последнем случае мы будем говорить о мульти-агентном коборге (МА-коборге).[8]. При этом в процессе управления МА-коборгом оценивается текущее состояние каждого агента и коборга в целом. Что касается ЭТК предприятия (комплекса ЖКХ), то они полностью соответствуют концепции мультиагентных коборг-систем, заключающейся в совместной кооперации автономных коборгов (агентов) по решению поставленной задачи. При этом каждому коборгу - агенту в системе присущи следующие основные черты: автономность, оперативность, социальность (взаимодействие с другими агентами в рамках достижения целей), рациональность, правдивость и доброжелательность. В составе мультиагентного ЭТК-коборга предприятия и комплекса ЖКХ выделим агентов - производителей или поставщиков ТЭР, к которым относятся собственные тепловые, электрические, паровоздуходувные, кислородные станции, цех водоснабжения, газовый цех, теплосиловой цех, обеспечивающий использование вторичных энергоресурсов от технологических агрегатов, а также внешние источники энергии - природный газ, твердое топливо. К агентам - потребителям ТЭР будем относить основные технологические производства или коммунальные хозяйства, функционирующие в общем информационно-сетевом пространстве. Координирующее сотрудничество агентов заключается в согласовании своих действий с помощью специального агента-координатора, чтобы продуктивно использовать располагаемые опыт и ресурсы. Таким агентом-координатором выступает служба главного энергетика предприятия. Текущая ситуационная картина состояния ЭТК-коборга формируется на сервере энергетической службы предприятия и предусматривает: - своевременное обнаружение намечающегося расстройства текущего состояния ЭТК по выявленным характерным признакам этих расстройств. В качестве последних используются отклонения фактических значений параметров состояния объекта от запланированных, тренды и частота изменений этих отклонений; - выявление внутренних и внешних причин, расстройств состояния ЭТК предприятия; - формирование управляющих воздействий для ликвидации намечающихся расстройства ЭТК. Общая функциональная структура коборг-системы для диагностирования и управления состоянием ЭТК приведена на рисунке 2:

Здесь: Si*, Si – заданные и текущие (фактические) параметры состояния ЭТК; Uk – управляющие воздействия; Rn – достоверность n-го расстройства текущего состояния ЭТК; Pm – выявленные причины расстройства состояния ЭТК; Эi – элемент сравнения. Текущие задания режимов функционирования ЭТК зависят как от внутренних условий работы предприятия или ЖКХ (капитальные ремонты или длительные аварийные простои агрегатов, объектов), так и внешних (ограничения в снабжении природным газом, электроэнергией, годовой сезонности и т.д.). В соответствии с принятой концепцией ЭТК- коборг включает три базы знаний: • Базу знаний диагностики состояния ЭТК предприятия (ЖКХ), как в целом, так и по отдельным его органам; • Базу знаний по выявлению причин расстройства текущего состояния ЭТК предприятия (ЖКХ); • Базу знаний формирования управлений по ликвидации намечающихся расстройств органов ЭТК. Рассмотрим подробнее принцип представления баз знаний в мультиагентном коборге ЭТК предприятием. А. База знаний диагностики состояния ЭТК. Несомненно, что она является ключевой, так как от достоверности диагностирования зависит, в конечном итоге, и эффективность управления ЭТК. Для этого выделим в составе ЭТК-коборга следующие функциональные органы, достаточно полно определяющие функциональное содержание рассматриваемого организма: - выработка и обеспечение теплоэнергетическими ресурсами (ТЭР) основного производства; - энерго-эффективность использования ТЭР в основном производстве (удельные затраты ТЭР на производство); - себестоимость производства ТЭР энергетическим комплексом предприятия; - состояние энерго-оборудования предприятия. В соответствии с концепцией коборг-технологии состояние каждого органа ЭТК можно представить соответствующим количеством внутренних параметров состояния (ВПС). Текущие значения и характер изменения этих параметров отражают состояние и предопределяют эффективность функционирования такого сложного объекта как ЭТК. Как правило, расстройство функционирования организма связано с закономерным сочетанием и развитием симптомов расстройства или заболевания. При диагностировании текущего состояния ЭТК целесообразно использовать так называемые объективные симптомы, диагностируемые (наблюдаемые) в процессе его обследования в реальном времени. Cимптом расстройства представляет собой устойчивое отклонение текущих значений одного или нескольких ВПС от заданных диапазонов в соответствии с выбранным режимом функционирования ЭТК. Добавим, что полезную информацию о дополнительных характеристиках симптома (устойчивость тренда, максимальная амплитуда, скорость нарастания и др.) можно извлекать на любом интервале текущего изменения ВПС.

Применительно к ЭТК-коборгу предприятия оценку текущего состояния соответствующего органа целесообразно осуществлять по следующим внутренним параметрам состояния: 1. По выработке теплоэнергетических ресурсов (ТЭР) для обеспечения производства: - теплоэнергия всего, включая выработку промышленного пара, тепла с горячей водой, вторичных энергоресурсов (ВЭР); - электроэнергия всего, собственная (ТЭЦ, ПВЭС, ЦЭС) и внешняя; - вода всего, включая свежую техническую, оборотную техническую и питьевую; - продукты кислородного производства всего, включая кислород технический, кислород технологический, аргон, азот, сжатый воздух; - газовое топливо всего, включая доменный, коксовый и природный газ. 2. По эффективности использования ТЭР на производство: - сквозной удельный расход электроэнергии на производство готовой продукции; - удельный расход технологического кислорода на производство готовой продукции; - удельный расход технического кислорода на производство готовой продукции; - удельный расход природного газа на производство готовой продукции; - удельный расход коксового и доменного газа на производство готовой продукции. - потери коксового доменного газа в % к выработанному. 3. По оценке себестоимости выработки ТЭР энергетическими подразделениями: - 1 тыс.Квт/ч электроэнергии, вырабатываемой суммарно всеми источниками электрической энергии , например, ТЭЦ ПВС, ТЭЦ ЭВС; - 1 т.у.т промышленного пара, вырабатываемого суммарно на энерго-котлах всеми источниками тепловой энергии, например, ТЭЦ ПВС, ТЭЦ ЭВС; - 1 тыс. пр м3 : дутья ПВС, кислорода, сжатого воздуха; - 1 Гкал теплоэнергии суммарно всеми источниками . 4. По оценке технического состояния энерго-оборудования энерго-газогенерирующих производств и цехов предприятия: - выполнение сроков и объема средних и капитальных ремонтов; - выполнение сроков и объема текущих ремонтов. Очевидно, что если текущие внутренние параметры состояния (ВПС) находятся в заданных интервалах нормативов и стандартов, то и компоненты (органы) и сам рассматриваемый организм находятся в нормальном состоянии. При отклонении одного или нескольких текущих значений ВПС от заданных значений будем говорить о расстройстве состояния соответствующих органов ЭТК. Для количественной оценки значимости каждого конкретного отклонения ВПС от нормативного значения могут использоваться как знания ¨коллективного эксперта¨, которые извлекаются из существующей нормативной документации и технологических инструкций по эксплуатации энергохозяйства, а также из теоретических и прикладных трудов по энергосбережению. Для представления таких знаний применяется метод нечеткой логики MYCIN [9], суть которого заключается в том, что знания (утверждения) могут иметь степень надежности соответствующего вывода не только +1(истина) или – 1(ложь), но и промежуточные значения между истиной и ложью. В реальной системе эти доказательства записываются в виде продукционных правил «ЕСЛИ…, ТО… со степенью надежности в непрерывном интервале от -1 до +1» и представляют так называемую базу знаний в рассматриваемой предметной области. Распространяя степени надежности на иерархическую сеть выводов, можно получить степень надежности конечной цели по оценке состояния каждого органа коборга. По текущему значению и тренду кривой вероятности развития расстройства принимается решение о принадлежности к заранее определенному терму состояния типа: “нормальное”, “удовлетворительное”, “неудовлетворительное”, “критическое¨ состояния компонентов (органов) и всего коборга в целом. Каждое из состояний, в котором может находиться коборг, характеризуется текущим значением так называемого коэффициента уверенности вывода CFі в интервале [-1,1]. При этом CFі, принадлежащее к интервалу (0,1], интерпретируется как вероятность наличия одного из этих состояний, а абсолютное значение CFі, принадлежащее к интервалу [-1,0),- как вероятность отсутствия какого-нибудь из этих состояний. На рис. 3 приведена примерная диаграмма представления текущего состояния ЭТК- коборга в соответствии с процедурой MYCIN.

ис.3. Диаграмма состояния ЭТК-коборга Значения индексов состояния областей ЭТК предприятия C

РFоб, CFэфф, CFсеб и CFвыр при отсутствии расстройств находятся в отрицательной области, а при появлении и развитии расстройств значения индексов увеличиваются и переходят в положительную область. Увеличение значения индекса уверенности интерпретируется как возникновение и развитие расстройства функционирования какого-либо из указанных органов ЭТК. В реальном случае диапазоны коэффициентов уверенности CF для нормального (заданного) режима работы ЭТК выбираются, как было указано выше, исходя из реальных плановых, нормативных, лимитных значений по всем используемым в системе энергетических, производственных и др., показателей и обычно находятся в пределах (-0.8 -0.9). Резерв 0.1 выбирается для случая улучшения состояния органа относительно заданных установленных показателей. Что касается текущей оценки общего состояния ЭТК предприятия (выделен жирным шрифтом), то его нормальное состояние находится в плюсовом диапазоне (+0.8  +0.9) и уменьшается при развитии расстройства функционирования какого-либо органа. Время обновления входной информации, поступающей в систему, зависит от уровня оперативности и автоматизации сбора, подготовки и передачи данных. Диагностирование ЭТК предприятия осуществляется на суточном, недельном, месячном, квартальном и годовом временных интервалах с ежесуточным нарастанием с начала периода. Результаты диагностирования представляются менеджерам ЭТК и руководителям энергетических цехов и находятся на сервере ¨Энерго¨ координирующего центра энергетической службы предприятия (комплекса ЖКХ).

Б. База знаний причин расстройств ЭТК-коборга. Наряду с текущим диагностированием состояния ЭТК-коборга в интеллектуальной коборг-системе предусматривается регистрация и анализ локальных показателей, влияющих на изменение ВПС, так как изменения этих показателей (возмущений), происходящих внутри и вне самого объекта управления и являются, в конечном счете, причинами нарушения его нормального (заданного) состояния. Среди причин, отрицательно действующих на состояние выработки и обеспечения ТЭР подразделений предприятия, можно отметить, например, сверхнормативные простои технологического и энергетического оборудования отдельных подразделений предприятия, внешние сокращения подачи электроэнергии, природного газа и пр. Причинами расстройства эффективного использования ТЭР могут быть потери от брака или сверхнормативные расходы на производстве отдельными подразделениями предприятия, снижение качества энергоресурсов и т.д. Причинами расстройства запланированной себестоимости производства энергоресурсов могут являться прямые и косвенные сверхнормативные издержки отдельных подразделений энергетических подразделений предприятия, сверхнормативные потери в энерго-газо сетях. Кроме этого, причинами определенного расстройства могут быть другие расстройства объекта. Например, расстройство процесса выработки ТЭР отдельными подразделениями может явиться причиной расстройства показателя себестоимости. Анализируя действующие на объект возмущения, система позволяет, во-первых, выявить причины развивающихся расстройств, что позволяет ретроспективно оценить качество работы соответствующих служб менеджеров. Во-вторых, во время появления и оценки возмущений произвести опережающее формирование компенсирующих управляющих воздействий по нейтрализации неблагоприятных последствий этих возмущений с учетом состояния объекта.

В. Формирования оперативных управляющих воздействий. Задача управления многоагентными комплексами связана с необходимостью координации по назначенным и согласованным локальным показателям качества, оптимизация которых ведет к оптимизации глобального показателя [10] . Применительно к концептуальным положениям коборг-технологии это означает, что обеспечение заданного (нормального) состояния органов ЭТК-коборга приводит к достижению его оптимального состояния в целом. В качестве глобального (целевого) показателя энергосбережения могут быть применены показатели энерго-эффективности и экономии ТЭР, являющиеся, как было указано выше, критериями целеполагания в сетевой архитектуре ЭТК-коборга. Интеллектуальные агенты ЭТК-коборга, относящиеся к производству, потреблению и передаче ТЭР наряду с решением своих локальных задач синхронизируют свои действия в достижении выбранного показателя целеполагания. В соответствии с диаграммой на рис.3 это достигается путем непрерывного диагностирования состояния органов ЭТК- коборга, так и его общего состояния, соответствующих локальным и глобальному (целевому) показателям качества и формируется на сервере координирующего центра¨Энерго¨. Кроме того, выявление возможных внешних и внутренних причин расстройства функционирования ЭТК-коборга представляет через одноранговую компьютерную сеть полную картину текущей ситуации в ЭТК для всех участников кооперации. Такая возможность позволяет соответствующему ЛПР (лицу принятия решения) в соответствии со своими обязательствами своевременно оценить и реализовать необходимые мероприятия по изменению нежелательной ситуации.

Выводы

1. Многоагентный энерго-технологический комплекс промышленного предприятия (комплекса ЖКХ) рассматривается как интеллектуальная информационно-управляющая кооперация – ¨ЭТК-Коборг¨ в составе общей сетевой архитектуры управления.

2. В целях эффективного управления кооперацией ¨ЭТК-Коборг¨используется коборг-технология, предусматривающая: - диагностирование текущего состояния ЭТК-коборга; - своевременное выявление причин расстройства функционирования состояния ЭТК-коборга; - формирование рекомендаций по управляющим воздействиям при расстройствах функционирования ЭТК-Коборга.

3. Повышение энергоэффективности при управлении сетевой кооперацией ¨ЭТК- Коборг обеспечивается за счет: - синергетического эффекта; - ускорения циркуляции информации в сетевой кооперации; - диагностирования текущего состояния и управления сетевой кооперацией.

Литература

1.Никифоров Б.И, Заславец Г.В. Энергосбережение на металлургических предприятиях: Монография. – Магнитогорск: МГТУ. 2000 г. 2. Нейман С.Ф. Проблемы управления энергосбережением в жилищном фонде. КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/problemy-upravleniya-energosberezheniem-v-zhilischnom-fonde. 3. Шайхутдинов А.М.. Анализ перспективных технологий в области энергетики. КиберЛенинка: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-perspektivnyh-tehnologiy-v-oblasti-energetiki. 4. Соловьев В.И. Интеллектуальная система управления сложными организованными объектами (коборгами). Патент на изобретение RU №2435187 C2, 2011г. 5. Соловьев В.И. Интеллектуальные мультиагентные коборг-системы . Труды ХIV-ой Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», 19-22 июня 2012, Самара, Россия. С.776-779. 6. Makarenko S. I. Informatsionnoe protivoborstvo i radioelektronnaia borba v setetsentricheskikh voinakh nachala XXI veka. Monografiia [Information warfare and electronic warfare to network-centric wars of the early XXI century. Monograph]. Saint Petersburg, Naukoemkie Tekhnologii Publ., 2017. 546 p. (in Russian). 7. Макаренко С.И. Системы управления, связи и безопасности №4. 2017 Systems of Control, Communication and Security sccs.intelgr.com URL: http://sccs.intelgr.com/archive/2017-04/02-Makarenko.pdf 18 8. Соловьев В.И. Построение интеллектуальных мультиагентных коборг-систем. Материалы международной научно-практической конференции OSTIS-2015 (Open Semantic Technologies for Intelligent Systems), г. Минск, С.495-498. 9. Представление и использование знаний. Пер. с япон. /Под ред. Х. Уэно, М. Исидзука ─ М.: Мир, 1989. ─220 с., ил. 10. Городецкий В.И. и др. Прикладные многоагентные системы группового управления. Ж. Искусственный интеллект и принятие решений №2. 2009г. С.3-24.

Опубликовано в журнале " Автоматизация и  IT в энергетике" №2, 2009 г.