УПРАВЛЕНИЕ СОВРЕМЕННЫМИ СУДОВЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ
НАПРАВЛЕНИЯ Стремительное развитие науки и техники привело к созданию принципиально новых систем управления техническими объектами в промышленности и на транспорте. Это касается и судов водного транспорта, на которых, как показывает история, во все времена находили применение последние достижения науки и техники. На современном этапе особенно следует выделить успехи развития двух наук: электроники и информатики. Они оказывают большое влияние на все сферы экономики и общественные процессы. Не является исключением судоходство и судостроение. Микроэлектроника. Развитие микроэлектроники началось в шестидесятых годах XX века. В результате появилась микропроцессорная техника, ставшая основой автоматизации практически всех процессов, среди которых главное значение имеют информационные. Применение микропроцессорной техники на водном транспорте позволило: - усовершенствовать судовые технические средства, - создать новые навигационные приборы и системы, значительно повысившие точность и надежность судовождения; - разработать более совершенные датчики информации о параметрах судовых технологических процессов; - производить обработку информации в реальном масштабе времени; - улучшить качество управления судном, благодаря использованию более полной информации о процессе судовождения, а также за счет освобождения штурманского состава от рутинных операций по поиску информации и ее обработке; - улучшить контроль работы бортовых технических средств и повысить безопасность судна; использовать в трудных случаях помощь квалифицированных береговых специалистов, создав возможность быстрой передачи им и отображения на берегу больших массивов информации, характеризующей развитие ситуации в процессе движения судна: - отойти от традиционной жесткой организации систем управления судном и обеспечить их открытость путем интеграции с помощью информационных каналов; - выполнить автоматическое решение ряда «интеллектуальных» задач, связанных с управлением судном, его безопасностью, контролем технических средств; - получить другие результаты. Оптическая электроника. Достижения оптической электроники все шире используются на судах. Здесь можно назвать бортовые системы ночного видения, лазерные локаторы, построенные с помощью волоконно-оптических каналов интегрированные системы управления судовыми технологическими процессами и др. Наноэлектроника В последние годы развивается наноэлектроника. Создаваемые в рамках этого направления технологии позволят работать на «атомном» уровне и получать миниатюрные мощнейшие средства для хранения и обработки информации. С помощью технологий наноэлектроники на стандартной кремниевой полупроводниковой пластине можно создать запоминающее устройство, равное 250000 компактным дискам. Для информатики электроника стала технической базой, позволяющей воплощать разрабатываемые в рамках информатики методы сбора, обработки и передачи информации в жизнь. В информатике различают теоретическое и практическое направления. Теоретическая информатика - это наука о структурах, основывающихся на математике и логике. Практическая информатика является инженерной дисциплиной, опирающейся на информационные системы и сети (архитектура ЭВМ, операционные системы, технологии программирования, информационные технологии и т.д.). Информационная технология представляет собой совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которых выполняются разнообразные операции по обработке информации во всех сферах жизни и деятельности. Иногда информационную технологию называют компьютерной технологией или прикладной информатикой. Применение современных информационных технологий позволило достичь значительных успехов при автоматизации подготовки решений по управлению судном, обеспечению его безопасности и для контроля технических средств. В решении этих задач используются достижения н области математики и логики: формальной (математической) и нечеткой. Формальная логика - это наука, позволяющая анализирован рассуждения, отвлекаясь от их содержания, обращая внимание лишь на форму, выделяя их структуру. Начало ей положил Аристотель. Основы этой науки, в ее современном понимании, были созданы в начале XX века Особое значение в формировании этих основ имели работы английского ученого Бертрана Рассела. Формальная логика ещё называется символической (или математической), а отдельные её разделы - исчислениями. Она позволяет описывать отношения между величинами, их совокупностям умозаключениями и высказываниями. Здесь под высказыванием понимается предложение, которое истинно либо ложно. Такая возможность имеет большое значение при создании функций поиска, упорядочивания обработки самой разнообразной информации. Математическая логика широко используется для описания различных технологических процессов, организационных и управляющих систем, а также при анализе и моделировании мыслительной деятельности человека. Нечеткая логика представляет собой научное направление, соединившее воедино принципы логики с теорией вероятностей. Это направление было предложено профессором Калифорнийского университета Лофти Заде в 1965 году. Им же в 1973 г. дано название этого вида науки - нечеткая логика. В нечеткой логике, в отличие от обычной формальной, высказывания не бывают лишь истинными либо ложными. Здесь оперируют с такими неточными, размытыми количественными понятиями как, "большинство", "много", "мало", "редко", "почти нуль", "около 500", и т.д. Нечеткая логика строится на основе простых правил. Она дает возможность учитывать различные неопределенности, которые имеют место в сложных системах управления. В настоящее время при автоматизации различных процессов, в том числе и судовых, значительную роль играют микроэлектронные управляющие устройства с программируемой логикой, называемые программируемыми логическими контроллерами - ПЛК (PLC's -Programmable logic controllers). Это сохраняющие программу устройства, позволяющие пользователю (разработчику) запрограммировать выполнение серии событий в определенной их последовательности: одно за другим, либо в заданные моменты времени, либо по результатам подсчета каких-то величин. Выполнение программы в ПЛК построено по «принципу реакции» в реальном времени на входные события. Т.е. программа непрерывно работает по замкнутому циклу, выдавая «наружу» определенные сигналы в моменты наступления предусмотренных входных событий. Это могут быть моменты выполнения каких-то условий, либо моменты, определяемые таймером, либо моменты активации оператором той или иной клавиши и т.д. Выдаваемые контроллером сигналы могут включать и выключать то или иное оборудование, изменять режимы работы технических средств и производить другие действия. По «принципу реакции» на входные события работают программы, составленные на языках программирования С, PASCAL и ряда других. Отличительными свойствами ПЛК считаются: - работа в режиме реального времени, то есть соблюдение гарантированного времени реакции на входные события; - возможность использования одного из трех языков программирования, описанных в стандарте Международной электротехнической комиссии для ПЛК. В настоящее время в автоматизации различного рода установок наблюдается сдвиг от применения специализированных ПЛК, созданных на основе оригинальных аппаратных средств, в сторону универсальных контроллеров на базе персональных компьютеров. Главные разработчики систем управления уже перешли к использованию ПЛК, построенных в промышленном исполнении на базе персональных компьютеров. Контроллеры с программируемой логикой хорошо приспособлены к выполнению, так называемого, ситуационного (кондиционального) управления. Задачи такого управления характеризуются известным набором ситуаций и соответствующих им решений. В системе кондиционального управления для возможных видов ситуаций может быть составлен перечень операций (таблица решений), которые должна выполнить система при наступлении той или иной ситуации. Такая система непрерывно тестирует условия своей деятельности с целью распознавания ситуаций, в которых она функционирует. При возникновении ситуации конкретного вида система выдает предусмотренную для нее последовательность управляющих действий. К ситуационным судовым задачам относятся: маневрирование главным двигателем, управление режимами технических средств и вентиляцией грузовых помещений, восстановление работоспособности аппаратуры и ряд других. На современных судах многие из этих задач выполняются с помощью программируемых логических контроллеров. Внедрению на судах аппаратуры, основанной на последних достижениях электроники и информатики, способствует проводимая ИМО политика. Здесь можно назвать: изменения, внесенные в СОЛАС-74 в части оснащения судов новой техникой; требования к интерфейсу навигационных приборов, обусловливающие построение всей навигационной аппаратуры на единой дискретной основе; требования к интеграции систем ходового мостика; требования ко всем бортовым средствам автоматизации иметь встроенную систему контроля работоспособности; и другие меры. На современных судах от отдельных устройств и простых систем автоматизации перешли к использованию интегрированных систем, в комплексе решающих задачи управления судовыми техническими средствами. Одной из таких судовых систем является электронный комплекс для решения задач: навигации, предупреждения столкновений, управления движением, обеспечения безопасности, радиосвязи, контроля технических средств и ряда других. Такие электронные комплексы получили название - интегрированные системы ходового мостика. Сокращенно они обозначаются - ИСМ. В документах ИМО и в англоязычной литературе эти системы именуются - Integrated bridge system (IBS). Интегрированная система ходового мостика совместно с судоводителем образует эргатическую (человеко-машинную) систему управления движением судна и обеспечения его безопасности. Касаясь выполняемых ИСМ задач, необходимо отметить следующее. На современном этапе главная роль ИСМ состоит в информационной поддержке решений судоводителя - в обеспечении его своевременными, достаточными и легко интерпретируемыми данными, необходимыми для принятия решений. Кроме этого, ИСМ предоставляет штурманскому составу возможность непосредственного управления силовыми средствами, включая главную движительную установку. Она также автоматически решает несложные задачи управления. К ним относятся: стабилизация курса судна, удержание центра массы судна на отрезке маршрута, выполнение изменения курса на заданный угол, проводка судна по заданному маршруту и ряд других. Ниже рассматривается структура ИСМ, характеризуются ее составные части, освещаются средства для решения локальных задач.
1. Основные понятия и определения. Используемые на современных судах электронные комплексы представляют собой интегрированные информационно-управляющие системы. 1.1. Понятие системы. Основные определения. Под системой в общем случае понимается совокупность частей, совместно выполняющих определенную задачу, и обладающую свойствами, которых нет у частей системы в отдельности. Главное, что определяет систему - это взаимосвязь и взаимодействие частей (компонентов, элементов множества) в рамках целого, а также наличие характерных свойств, присущих только системе и отсутствующих у отдельных её компонентов. Множество внешних элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием в условиях рассматриваемой задачи, называют внешней средой либо окружением системы. Существуют системы различного вида: социальные, биологические, производственные, экономические и т.д. Ниже рассматриваются только представители технических электронных систем. Такие системы создаются человеком для решения конкретных задач, и их функционирование направлено на достижение определенных целей. Автоматической называется система, в которой процессы получения, преобразования, передачи и использования энергии, вещества или информации выполняются без непосредственного участия человека. Автоматизация систем может рассматриваться как задача алгоритмизации и программирования. Алгоритм представляет собой логическую схему решения задачи системы. Запись алгоритма на том или ином формализованном языке называется программой. Запрограммировав некоторые процессы, можно поручить их выполнение роботу, автомату или программной системе с целью улучшения надёжности выполнения этого процесса или повышения его эффективности. Автоматизированными именуют системы, в которых одни функции выполняют технические средства, а другие возложены на человека. Такие системы называются также человеко-машинными или эргатическими системами. Обеспечение эффективности систем. Под эффективностью (качеством) системы понимается соответствие функционирования системы ее целям. Задача обеспечения продолжительного эффективного функционирования систем имеет три основные составляющие: надежность, целостность, удобство эксплуатации и обслуживания. Ее решение предполагает, в первую очередь, борьбу с нарушениями в работе системы: ошибками и неисправностями, порождаемыми отказами, сбоями и другими причинами. Надежность - это способность системы работать без отказов. Улучшение надежности электронных систем основано на принципе предотвра-щения неисправностей путем: - снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, - уменьшения уровня помех, - использования облегченных режимов работы схем, обеспечения благоприятных тепловых режимов работы, - совершенствования аппаратуры системы и методов ее сборки. Числовым показателем надежности является среднее время наработки на отказ. Целостностью системы называют неизменность такого ее состояния, при котором значения всех эксплуатационных характеристик системы находятся в заданных пределах. Она заключается в сохранности всех присущих системе полезных свойств. Целостность обычно рассматривают, как готовность системы в полном объеме качественно выполнять cbov функции в любой момент времени. Повышение готовности предполагает своевременное обнаружение нарушений в ее работе, подавление, в определенных пределах, влияние ошибок, отказов и сбоев на функционирование системы. Это осуществляется с помощью средств контроля, диагностики, коррекции ошибок, устройств защиты, а также средств автоматической восстановления работоспособности после проявления неисправности включая аппаратурную и программную избыточность, на основе которой реализуются различные варианты отказоустойчивых архитектур Повышение готовности - способ сокращения времени простоя системы. Количественно целостность оценивается показателем, называемым коэффициент готовности. Этот коэффициент определяет вероятность пребывания системы в работоспособном состоянии в любой момент времени. Статистически коэффициент готовности системы определяется как среднее время восстановления, иначе говоря, среднее время между моментом неисправности и моментом возврата системы к полноценному функционированию. Существуют и другие, частные количественные оценки целостности систем. Способность системы своевременно обнаруживать нарушения в своей работе может характеризоваться вероятностью предоставления оператору данных о своем неправильном функционировании в пределах определенного интервала времени. Большое значение для обеспечения целостности систем (повышения готовности) имеет их контроле пригодность, способность обнаруживать ошибки в работе, приспособленность для диагностики, к восстановлению функций. Удобство эксплуатации и обслуживания также существенно влияет на основные характеристики систем. Оно предотвращает неверные действия оператора при работе с системой, уменьшает вероятность неправильной интерпретации ее данных, облегчает и ускоряет принятие решений. Понятие сложной системы. Среди систем различных видов выделяют сложные системы. Сложная система характеризуется большим числом элементов и, что наиболее важно, большим числом взаимосвязей между элементами. Специфика такой системы определяется разнообразностью взаимосвязей, множеством частных целей, иерархичностью, многоаспектностью и рядом других свойств.
1.2. Системы управления. Понятие системы управления. Система, в которой осуществляется управление тем или другим объектом либо процессом, называется системой управления (СУ Под управлением обычно понимается процесс, когда один объект обеспечивает требуемое поведение другого объекта с помощью целенаправленных воздействий (команд). Объект, вырабатывающий целенаправленные воздействия, называется управляющей или командной системой (КС). В технических системах этот объект именуют устройством управления. Объект, которым управляют, называется объектом управления (ОУ). Для него также используют термины - управляемый объект, управляемая система, управляемый процесс. Обобщенно система управления представляется совокупностью командной системы и объекта управления, взаимодействующих при решении задачи управления. Прикладываемые со стороны командной системы к ОУ целенаправленные силы называются управляющими воздействиями. В общем случае процесс выбора значений этих сил для обеспечения желаемого поведения ОУ называют принятием решений по управлению объектом. Изменение состояния ОУ происходит под влиянием управляющих сил и возмущений среды. В совокупности эти воздействия называются входными величинами СУ. Параметры, характеризующие состояние системы, являются ее выходными величинами. Те из них, которые в процессе управления преднамеренно изменяются или сохраняются постоянными в соответствии с целью задачи, именуются управляемыми величинами. Основные условия осуществимости управления. Для возможности решения системой задачи управления ОУ должен быть управляемым и наблюдаемым, а командная система - обладать способностью управлять. Под управляемостью в общем случае понимается способность объекта управления выполнять должным образом команды КС за определенное конечное время. Наблюдаемость - это возможность контроля состояния объекта управления (основное - его управляемых переменных) командной системой. Способность управлять означает наличие у КС достаточных средств для выработки решений и проведения их в жизнь. Этапы принятия решений при управлении. В теории управления принятия решений рассматривается как циклический процесс, каждый цикл которого включает реализацию следующих функций: 1. получение информации о состоянии СУ и внешней среды, прогноз и оценка удовлетворительности состояния системы; 2. формирование цели о некотором другом состоянии, в которое желательно перевести систему; 3. определение допустимых путей достижения системой поставленной цели; 4. выбор из множества допустимых решений наилучшего. 5. реализация принятого решения. Первые три этапа называются подготовкой решения, а четвертый — принятием решения. Виды структур СУ. Различают командную, функциональную и формальную структуры систем управления. Представление СУ компонентами, выступающими в роли управляющих или управляемых подразделений, называется ее командной организацией или командной структурой. Под функциональной структурой или функциональной организацией системы управления понимается схема функциональных устройств СУ и связей между ними. Схема, отражающая формальный характер преобразования входных сигналов СУ в выходные, носит название формальной (описательной, математической) структуры системы управления.
1.3. Информационные системы. Информационная система - это автоматизированная система, предназначенная для хранения, передачи или обработки информации. Обобщенно, понятие информация может быть истолковано, как некоторая совокупность сведений, определяющих меру наших знаний о тех или иных процессах, событиях, явлениях, фактах и их взаимосвязи. Применяются и более узкие определения, основанные на привязке понятий к области их использования. Информацией в этом случае считаются данные, оказывающие влияние на рассматриваемую задачу и используемые при ее выполнении. Применительно к системам управления, информация представляет собой сведения, характеризующие систему управления, ее внешнюю среду, и используемые в процессе принятия решений или в связи с осуществлением тех или иных действий с системой. Современные информационные системы базируются на микропроцессорной технике. Основными средствами обработки информации в них являются компьютеры. Поэтому информационные системы часто называют компьютерными системами. Средства информационной системы. В общем случае информационная система содержит следующие подсистемы: • аппаратного обеспечения (комплекс технических средств); • программного обеспечения (совокупность моделей, методов, алгоритмов и программ реализации целей); • информационного обеспечения (набор средств классификации, кодирования, унификации, документации); • организационного обеспечения (методы и средства работы персонала, осуществляющего эксплуатацию системы); • правового обеспечения (совокупность правовых норм, определяющих юридический статус системы). Аппаратное обеспечение — это набор электронных, электрических и механических устройств, входящих в состав информационной системы. Оно включает измерительные устройства и другие источники информации, процессоры, блоки памяти, устройства отображения и регистрации информации, средства сигнализации и т.д. Под информационным источником понимается объект, в котором возникает информация. Им могут быть различные технические устройства — датчики или преобразователи. Программное обеспечение представляет собой совокупность программ, обеспечивающих работу системы и выполнение ее функций, а также создание новых программ. Программное обеспечение информационной системы состоит из четырех основных частей: • операционной системы, управляющей работой всего оборудования; • программ платформы, преобразующей интерфейсы операционной системы в нужную форму и предоставляющей необходимые виды информационных услуг; • прикладных программ, выполняющих задачи, ради которых создана информационная система; • программ области взаимодействия, предоставляющей услуги связи прикладных программ, расположенных как в одной, так и в группе информационных систем. Задачи информационных систем. Все средства информационных систем направлены на обеспечение решения ее главных – информационных задач: - сбора, регистрации, упорядочивания, защиты, обработки и представления информации, - быстрой выдачи необходимых справок, - оперативного выполнения заданий оператора, контроля и устранения ошибок в информации, находящейся в памяти, - обновления хранящейся информации с целью приведения ее на уровень современности. Поэтому методы и виды получения, регистрации, упорядочивания' хранения, поиска, обработки, защиты сведений, приведения их на уровен современности, представления данных потребителям имеют i информационных системах первостепенное значение. Охарактеризуем лиш некоторые из способов оперирования с данными. Виды ввода данных в систему. Информационные систем! обеспечивают автоматический ввод данных в свою память через канал связи, с электронных носителей (дисков и дискет) и занесение данных в ручную. Виды доступа к данным. В информационных системах доступ, хранящимся в памяти сведениям может быть следующим: • только для чтения (Read only); • для чтения и модификации с сохранением старой информации (Read and Modify); • для чтения, модификации и стирания устаревшей информации (Read, Modify and Delete). Методы поиска данных. Поиск нужных сведений в памяти информационных систем может осуществляться разными способами: по смысловому содержанию (по ключевому слову), по однозначно определяемому их признаку (наименованию или идентификатору), С совокупности таких признаков, по месту расположения сведений в памяти (по номеру страницы при страничной организации данных) и другими способами. Любой эффективный поиск, требующий минимальных затрат труда и времени, основывается на систематизированной организации информации в памяти системы. Из упорядоченных структур данных можно назвать записи, списки, таблицы, массивы, файлы, различного вида базы данных и базы знаний. В навигационных информационных системах с электронными картами распространен поиск сведений о картографических объектах путем наведения курсора на интересующий объект. Способы защиты данных. Для защиты данных используются разные системы паролей, ключей, устанавливаются определенные виды допуска к сведениям, вводятся ограничения на доступ к различным частям памяти, и принимаются другие меры. Пользовательский интерфейс системы - это совокупность средств, определяющих процедуры взаимодействия оператора с информационной системой. В современных информационных системах применяются развитые средства для общения пользователя с системой: пассивный диалог, активный диалог, а также их сочетания. При ведении диалога используются возможности интерактивных видеоустройств. Реализуются системы общения, сочетающие печатный текст, графику, речь, звуковые и видео эффекты. Внедряются программы динамического отображения графики, в том числе трехмерной. Используется полиэкранный режим работы дисплея. В интегрированных системах ходового мостика (ИСМ) в основном реализован визуальный графический пользовательский интерфейс, дополненный элементами речевого интерфейса. Визуальный графический пользовательский интерфейс системы организуется с помощью стандартных интерфейсных элементов, отображаемых на экране. Управление этими элементами производится с помощью манипулятора (джойстика, трекбола, мышки), и/или клавиатуры, и/или применением так называемой touch screen технологии. 1.4. Характеристики информационных систем. Работу информационных систем характеризуют определенные показатели. Количество информации. Для хранения, передачи и восприятия информации существенное значение имеет ее объем. В информационных системах при передаче и хранении сведения обычно представляется в виде последовательности некоторых символов, чаще всего букв и цифр. Поэтому объем информации принято определять количеством символов, в байтах. Байт обычно состоит из восьми двоичных разрядов, что позволяет записать в закодированной форме 256 различных символов. Наименьшей единицей количества информации является бит. Это название происходит от английского сокращения "binary digit" - двоичный разряд. Последовательность смежных бит, рассматриваемая как единое целое, именуется байт. Широко используются сокращения, обозначающие: - тысячу байт - килобайт (Кбайт), - миллион байт - мегабайт (Мбайт), - миллиард байт - гигабайт (Гбайт), - триллион байт - терабайт (Тбайт). Ценность информации — характеристика важности ее для решаемой задачи. Например, в системах управления ценность информации определяется ее значением для правильного выбора решений. Существенны здесь два фактора: весомость самого решения и степень влияния информации на его выбор. Сообщения об аварийных ситуациях в ИСМ имеют для судоводителя большую ценность, чем обычные учетные данные. Более ценные сведения передаются системой в первую очередь. Это достигается введением приоритетов на посылаемую информацию. С увеличением объема сообщения не обязательно возрастает его ценность. Иногда краткое послание имеет несоизмеримо большую ценность, чем текст на многих страницах. Достоверность информации - степень соответствия информации процессу или объекту, который она отражает. В случаях представления информации в буквенно-цифровом виде достоверность информации количественно оценивается вероятностью не искажения принимаемого символа. Эта вероятность выражается отношением числа неискаженных символов к общему их числу в достаточно длинном сообщении. Точность информации - степень соответствия значений тех или иных параметров (или совокупности параметров) их истинным значениям. Количественно точность характеризуется с помощью различных оценок: абсолютной, относительной, среднеквадратической погрешностью и другими показателями. Надежность информации - стабильность характеристик достоверности (точности) получаемых от системы данных на определенном промежутке времени. Численно надежность информации характеризуется вероятностью нахождения показателей достоверности (точности) в допустимых пределах в течение заданного интервала времени. Полнота информации - характеристика достаточности содержания в ней данных, существенных с точки зрения решаемой задачи. Упрощенно она оценивается отношением количества получаемой информации к требуемому для задачи ее объему. Действительность (своевременность) информации - пригодность введений к решению задачи в текущий момент. Означает, что данные не потеряли своей ценности из-за старения. Целостность информации - достоверность, надежность, полнота и действительность данных, на основе которых принимаются решения. Пропускная способность - показатель эффективности информационной системы или сети. Она зависит от рассматриваемой задачи и определяется числом выполняемых команд в секунду, заданий в час и т.д. Пропускная способность коммуникационной сети оценивается числом блоков данных, передаваемых в единицу времени. Защищенность информации - способность данных противостоять несанкционированным, непреднамеренным и злоумышленным искажениям. Производительность источника данных - количество информации, вырабатываемое им в единицу времени. Надежность информационной системы определяется, как ее способность работать без отказов. Численно надежность характеризуется временем наработки на отказ. Готовность (доступность, активность) информационной системы — это ее способность предоставлять потребителям необходимые сведения в требуемые моменты времени. Количественно доступность оценивается отношением времени передачи системой сообщений на определённом интервале к продолжительности этого интервала, либо вероятностью получения информации на конкретном промежутке времени. Частота передачи информации - количество посылок системой данных в единицу времени. Это показатель систем, передающих данные через определенный период. Взаимосвязанным с этим показателем является дискретность передачи данных, характеризуемая интервалом времени, через который система передает сведения. Латентностью (задержкой) информационной системы называется время, затрачиваемое ей на подготовку сведений к передаче по каналу. Из перечисленных выше характеристик при рассмотрении конкретных информационных систем выбираются те, которые существенны для решаемых с помощью этих систем задач.
1.5. Информационные ресурсы систем. Ценность любой информационной либо информационно-управляющей системы, прежде всего, определяется ее информационными ресурсами (данными, знаниями, программами оперирования с данными и знаниями), которые система предоставляет оператору. Для системы управления движением судна эти ресурсы должны как можно шире охватывать область судовождения и обеспечения его безопасности. Для хранения на электронных носителях информационные ресурсы организуются в виде баз данных и баз знаний. К сожалению, четкого различия между содержимым этих баз не проведено. В настоящее время даже нет единого определения термина «база знаний». Ниже будет использоваться один из приведенных в литературе вариантов определений терминов «база данных», «база знаний», основанный на следующих соображениях. Состав знаний. Информационные ресурсы требуются для решения задач в определенной предметной области: на том или другом предприятии, при управлении судном или летательным аппаратом, и т.д. Поэтому и знания обычно рассматриваются применительно к той или другой предметной области. В популярной форме знания о предметной области можно представить следующим образом: элементы знаний, отношения между элементами. Элементы знаний включают понятия, события, свойства. Понятия - это термины, категории, имеющие свое название, определение, структуру (составные части). Понятие связано с другими понятиями и входит в систему понятий о данной предметной области. События представляют явления и факты, относящиеся к данной предметной области. Свойства - качественные и количественные характеристики событий. Отношения - это известные связи между элементами знаний. Они могут быть разделены на четыре класса: логические, лингвистические, теоретико-множественные, квантификационные. Отношения также делят на алгоритмические и неалгоритмические. К алгоритмическим знаниям относят формализованные отношения между событиями и свойствами: математические и логические зависимости, алгоритмы, программы, процедуры, обеспечивающие вычисление функций, выполнение преобразований и т.п. Неалгоритмические знания - это неформализованные словесно выражаемые отношения между элементами знаний и их комбинациями. Базы данных. В общем случае под базой данных (БД) понимают совокупность данных, сформированную по определенным правилам. БД представляет собой специальным образом организованные один либо группу файлов. Базы данных принято составлять по схемам, определяющим независимость данных от пользователей и прикладных программ, который будут к этим БД обращаться. Применительно к системам управления различными объектами базов данных называют совокупность взаимосвязанных массивов понятий событий и свойств, представляющих характеристики СУ и ее внешнее среды с такой минимальной избыточностью, которая обеспечивает их оптимальное использование во всех практических случаях, связанных с рассматриваемой системой управления. Совокупность языков и программ, позволяющая создавать БД и их функционированием, называется системой управления базы данных (СУБД). СУБД обеспечивает: описание и сжатие данных; манипулирование данными (запись, поиск, выдача, изменение содержания); физическое размещение (изменение размеров блоков данных, записей, использование занимаемого пространства, сортировку); защиту от сбоев, поддержку целостности данных и их восстановление; работу с файлами; безопасность данных. Базы знаний. Под базой знаний (БЗ) понимается организованная совокупность знаний, относящихся к какой-нибудь предметной области. В общем случае, знания - это накопленные человечеством истины, факты, принципы и прочие объекты познания. Применительно к системам управления под базой знаний понимают обладающую минимальной избыточностью совокупность взаимосвязанных массивов понятий, событий, свойств, отношений, касающихся рассматриваемой СУ и выраженных в такой форме, которая обеспечивает получение решений задач управления для конкретных исходных данных. Сравнивая информацию базы знаний и базы данных можно отметить, что различие состоит в следующем. В базе данных содержатся описания объектов рассматриваемой предметной области, их качественные и количественные характеристики. База знаний дополнительно включает способы выполнения задач в данной предметной области, обеспечивающие получение решений для конкретных исходных данных. Условно в составе знаний выделяют: • алгоритмы решений задач; • знания, на основе которых формируются решения задач, не имеющих готовых путей для выполнения. Совокупности первого вида знаний объединяются в базу «шаблонов» для решений задач. Они оформляются в виде программ и составляют базу программ прикладных задач. Знания для задач, не имеющих для выполнения определенной стратегии, объединяются в базу знаний для формирования .решений (рекомендаций) называемую просто базой знаний. Такая БЗ дополняется специальным механизмом логического вывода - процедурой поиска, планирования решения. Этот механизм получил название: система управления базой знаний. Он дает возможность на основе хранимых знаний для конкретных данных получать решения задач в рассматриваемой предметной области, формулируемые в терминах понятий, находящихся в базе. Существуют разнообразные способы представления информации в базах знаний, предназначенных для формирования решений: декларативное, процедуралъное, в форме семантических сетей, в виде фреймов. Все эти формы направлены на обеспечение возможности получение быстрого, правильного решения поставленных задач в предметной области, знания о которой помещены в БЗ. В механизмах логического вывода ряда баз знаний, кроме аппapaта обычной формальной логики, используются методы нечеткой логики. Системы с базами знаний, дополненные механизмом логического вывода, в определенной степени моделируют работу мозга человека и часто называются интеллектуальными системами или система искусственного интеллекта. Эти системы способны к обучению и самообучению. Однако необходимо осознавать, что они решают задачи, основываясь лишь на известных отношениях между событиями и свойствами, в то время как основная черта интеллекта - сопоставлять несопоставимое и устанавливать взаимосвязь между тем, что не представлялось ранее взаимосвязанным.
1.6. Системы информационной поддержки принять решений Система поддержки принятия- решений (СППР) представляет сои«| один из видов информационных систем. Термин "система поддержу принятия решений" появился в начале 70-х годов XX века. Однако, до сегодняшних дней он не нашел единого общепризнанного определения ни у ученых, ни у разработчиков. В данном случае используется одно из имеющихся определений этой системы, основанное на следующих соображениях. При рассмотрении процессов управления применяется схема поэтапного (технологического) цикла принятия решения. Первый этап - это этап накопления системой управления определенного объема данных о своем состоянии и состоянии внешней среды, обработки этих данных, анализа и прогнозирования состояния системы и внешней среды на определенное время вперед. Это также этап осознания системой удовлетворительности или неудовлетворительно ситуации, в которой она находится в настоящее время, или в которой окажется в ближайшем будущем. На втором этапе ставится цель о некотором другом состоянии, в которое желательно перевести систему. На третьем этапе определяются пути достижения системой поставленной цели. Здесь важно рассмотреть все возможные варианты решений, даже избыточные, т.е. установить множество возможных решений и выделить из него допустимые варианты. Четвертый этап состоит в выборе из множества допустимых решений наилучшего. Этот этап является самым главным, однако, без первых трех этапов его осуществить невозможно. Пятый этап - реализация решения. Первые три этапа обычно называются подготовкой решения, а четвертый - принятием решения. Согласно данной схеме любое средство, которое осуществляет или поддерживает функции подготовки решения, может образовывать СППР. Из этого же следует, что многие из информационных систем могут называться системами поддержки принятия решений: автоматизированные системы управления разными объектами, системы диспетчерского управления, системы управления базами данных, экспертные и другие системы. Поэтому ниже под системой поддержки принятия решений понимается компьютерная информационная система, данные которой используются для подготовки решений в ситуациях, где невозможно или нежелательно иметь автоматические системы, полностью выполняющие весь процесс выработки управляющих воздействий. СППР может рассматриваться как комплекс средств, автоматизирующих информационные процессы подготовки решений при управлении и оказывающих помощь руководителю в ходе выполнения поставленной задачи. Эта система предназначена обеспечить возможность учета всей требуемой при управлении информации, сократить до минимума время ее обработки, представить в концентрированном виде данные, необходимые для принятия решений, а также в ряде случаев подготовить варианты допустимых решений и рекомендовать из них наилучший (по заложенному критерию).
1.7. Информационные сети. Под информационной сетью обычно понимается совокупность взаимодействующих информационных объектов (систем) с выделенными связями (информационными каналами) между ними, предназначенная для обработки, хранения и передачи данных. Учитывая главенствующую роль компьютеров как средств оперирования с данными, информационные сети называют также компьютерными сетями. Информационный канал представляет собой средство (коммуникационную среду), по которому в сети передаются сигналы, данные. Это может быть двухпроводный, коаксиальный либо другого вида кабель, a также эфир. Совокупность информационных каналов, с помощью которой образуется информационная сеть, называется коммуникационной подсетью. Информационные сети могут быть локальными и территориальными (отраслевыми, региональными, глобальными). Локальная сеть - LAN (Local area net), характеризуется тем, что входящие в нее информационные объекты (системы) расположены на небольшом расстоянии друг от друга, в пределах 10…20 км. Довольно часто они помещаются в одном здании или на одном предприятии. Информационные объекты территориальной сети могут находиться друг от друга на несколько десятков тысяч километров. Судовые много компьютерные структуры относятся к LAN. Поэтому ниже изложение касается только локальных сетей. Применяются две архитектуры локальных сетей: архитектура клиент-сервер ─ позволяет эффективно использовать ресурсы серверов; одноранговая архитектура ─ предполагает взаимодействие равноправных абонентских систем. Локальные сети классифицируются по различным признакам: По технологии передачи данных выделяются сети с маршрутизацией данных и сети с селекцией данных. Первые каждый блок данных передают только одной системе-адресату, а вторые - всем системам. В зависимости от используемых физических средств соединения различают: - локальные кабельные сети, - беспроводные LAN. Среди локальных сетей выделяют также видео сети, операционные сети, радиосети, малые сети. Особо следует отметить тип LAN, предложенный корпорацией Xerox, ─ сеть Ethernet. Благодаря совместным разработкам корпораций Xerox, DEC, Intel, эта сеть в своем развитии прошла несколько этапов и была утверждена в качестве стандартов Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ИИЭР). Основой сети Ethernet является магистральный моноканал, который может соединять до 1024 абонентских систем. Этот тип информационной сети получил довольно-таки широкое распространение на предприятиях и в организациях. Применяется она и на судах. По каналу Ethernet, например, в некоторых ECDIS и в цифровых радиолокационных системах передается изображение от основных модулей на периферийные персональные компьютеры. Это обеспечивает возможность капитану и старшему помощнику в своих каютах на экране ПК контролировать прокладку судна на электронной карте и/или вести радиолокационное наблюдение Малые расстояния передачи данных позволяют применять в локальных сетях высоконадежные каналы связи и обеспечивать большие скорости передачи информации. Коммуникационная подсеть LAN может иметь четыре формы: узловую, моноканальную, поликанальную, циклическую кольцевую. Информационный канал, по которому объекты сети обмениваются данными, состоит из собственно канала и блоков доступа к нему (интерфейсных устройств), обеспечивающих подсоединение отдельных систем к сети. Под интерфейсом обычно понимаются средства, обеспечивающие взаимодействие объектов. Задачей интерфейса является определение и реализация параметров, процедур и характеристик «общения» любых партнеров. Ими могут быть функциональные блоки, устройства, программы, системы, сети и т.д. Магистральный канал предназначается для передачи данных большого числа систем. Такой канал имеет высокую надежность и обладает большой способностью. В этой связи, магистральные каналы строятся, как правило, на основе оптических или коаксиальных кабелей, либо эфира. По оптическим каналам передаются сигналы, в которых данные закодированы изменениями излучения света. Оптические каналы называются также волоконно-оптическими (фибро-оптическими) линиями связи. Каждая такая линия состоит из световодов, дополняемых при больших расстояниях передачи данных оптическими усилителями. Источник света (оптический передатчик) управляет лазером, реже светодиодом. Прием света осуществляется фотодиодом. Световод является оптическим волноводом, который создается из стекла либо кварца. Световод представляет собой тонкое (диаметром 10 … 125 мкм) оптическое волокно в виде прозрачной, чаще всего, кварцевой, нити. Последняя окружена защитной оболочкой из стекла со значительно меньшим коэффициентом преломления, чем сердцевина. Оболочка образует «зеркало», необходимое для того, чтобы задержать свет в сердцевине и не дать ему уйти через ее боковые стенки наружу. Нередко сердцевина покрывается пластмассой. Такие световоды дешевле, однако, менее надежны в работе. Это связано с тем, что стекло, в отличие от пластмассы, не стареет, не подвержено воздействиям влаги и температуры. Для защиты от внешних механических воздействий двухслойное волокно покрывается резиновым или пластмассовым покрытием. Световод обладает большой пропускной способностью. Он хорошо защищен от электромагнитных помех. В отличие от электрических проводов в нем при передаче сигнала никогда не могут появиться искры и возникнуть пожар. В кварцевых световодах удается передавать данные со скоростью 100 … 10000 Мбит/с на расстояние до нескольких сот километров без применения повторителей. В длинных оптических каналах используются оптические усилители. Световодные каналы называются также фиброоптическими кабелями. Информационная сеть, построенная с помощью световодов, называется фиброоптичекой сетью - FAN (Fiber optic area net). Беспроводные оптические линии связи именуются лазерными каналами. Документы, определяющие правила и процедуры подключения систем к сети, называются протоколами. Такие протоколы вырабатываются и утверждаются ИИЭР, а также Международной электротехнической комиссией - МЭК (IЕС - International Electrotechnical Commission).
1.8. Интегрированные системы. Понятие интегрированной системы. Под интеграцией системой, понимается целенаправленное объединение их программных и аппаратных средств в целостную систему, реализующую заданную функцию удовлетворяющую предусмотренным требованиям. Интегрированная система (ИС) состоит из нескольких частей, причем целью объединение этих частей является выполнение новой задачи, для решения которой требуется использовать функции объединяемых частей. При построении современных ИС применяется системный подход. Основной общий принцип этого подхода заключается в рассмотрении частей системы с учётом их взаимодействия. Системный подход включает в ceбя: выявление структуры системы, типизацию связей, определение атрибутов, анализ влияния внешней среды. Системный подход состоит в учете всех особенностей этого процесса, всех существенных связей между различными частями системы, между ней и внешней средой, между системой и оператором с целью достижения максимальной эффективности в решении задач технологического процесса. Эффективность интегрированной системы определяется не только качеством разработки и реализации каждого ее уровня, но и оптимальностью их взаимодействия. Интегрированные системы именуют также комплексными системами Конфигурация ИС - это совокупность из определенного числа частей, образующих интегрированную систему той или иной мощности. Под мощностью ИС понимается характеристика объема решаемых систем задач. Минимальный комплект интегрированной системы, при котором она еще отвечает своим основным целям, называется ее базовой конфигурацией. Совокупность частей интегрированной системы участвующих в данный момент при решении задач, называют используемой конфигурацией ИС. Открытость интегрированных систем. Интеграция систем является одним из основных механизмов повышения уровня автоматизм различного рода процессов на судне. Чтобы обеспечить совершенство этого механизма, к ИС предъявляются определенные требования. Пожалуй, самым важным требованием к интегрированным системе является обеспечение их открытости. Она состоит в том, что должна быть возможность подключения к системе дополнительного оборудования и организации его работы в составе ИС. Это требование определяет способность ИС к расширению функций, к модернизации, к дальнейшей автоматизации процессов в той или в другой предметной области. Открытость систем в настоящее время обеспечивается использованием единой дискретной основы построения аппаратуры, стандартизацией оборудования, применением магистрально-модульного и модульно-иерархического принципа формирования структуры и рядом других мер. Единая дискретная основа означает, что все отдельные части ИС должны управляться микропроцессорной техникой, преобразовывать данные и выдавать их в цифровой форме. Такое построение аппаратуры позволяет более просто и надежно организовывать информационное взаимодействие между частями системы, а также между системой и другим оборудованием. Когда все части имеют микропроцессорную основу, то для образования они объединяются в сеть с помощью информационного канала и специального программного обеспечения и взаимодействуют в . соответствии с определенным протоколом. Стандартизация оборудования направлена на обеспечение требуемых эксплуатационных, технических характеристик ИС и совместимости различного вида входящей в ИС аппаратуры, выпускаемой различными фирмами и организациями. Различают конструктивную, информационную и энергетическую совместимость аппаратуры. Конструктивная совместимость предполагает согласованность конструктивных параметров частей ИС, позволяющая соединять функциональные устройства в единое конструктивное целое. Информационная совместимость определяется условиями для единообразной передачи сообщений между частями системы. Энергетическая совместимость состоит в обеспечении, по возможности, одинакового электропитания объединяемых частей. Касаясь интегрированных систем ходового мостика, необходимо ь следующее. Минимальные эксплуатационные требования к морским навигационным приборам и системам определяются Международной морской организацией - ИМО (IMO - International Maritime Organization). На основе эксплуатационных требований Международная Электротехническая комиссия вырабатывает технические стандарты к электрическому и электронному оборудованию. МЭК также определяет протоколы взаимодействия входящих в ИСМ устройств. Отдельные части ИСМ должны удовлетворять и касающихся их требованиям других международных организаций. Например, необходимо, чтобы система с электронными картами ECDIS отвечала стандартам Международной гидрографической организации - МГО (IHO - International Hydrographic Organization). Бортовая аппаратура автоматической идентификационной системы должна соответствовать требованиям Международного телекоммуникационного союза (ГГО - International Telecommunication Union). Создание интегрированных систем базируется на международных стандартах, определяющих, как должны работать друг с другом компоненты этих систем. Во всех странах стандарты информационного взаимодействия называются протоколами. Протокол в информационной системе - это документ, чётко определяющий процедуры и правила взаимодействия входящих и подключаемых к системе устройств. Протоколом устанавливается список команд, которыми могут обмениваться устройства, порядок передачи команд, правила взаимной проверки работы, размеры передаваемых информации и т.д. Протоколы создаются для того, чтобы изготавливаемые разными объединениями и фирмами устройства могли работать друг с другом. Стандарты взаимодействия (интерфейса) навигационной aппаратуры изложены в протоколе МЭК 61162. Этот документ совпадает по содержанию с протоколом NMЕА-0183 национальной морской электронной ассоциации США (NMEA - International Maritime Electronic Association). Условия стандарта на интерфейс включают: вид и количество сигналов, систему кодирования, название и действие управляющих сигналов, значения напряжения для сигналов «О» и «1», тип соединительного элемента (штекерный разъем, пайка и т.п.), распределение сигналов в соединительном элементе и др. Модульность состоит в построении аппаратуры и/или программ обеспечения из отдельных, в определенной мере автономных структур (модулей, блоков, подсистем), которые могут функционировать как отдельно при выполнении своих локальных задач, так и совместно решении общей задачи. Модульное построение облегчает приспособление систем к особенностям судов и к отличиям выполняемых ими задач, облегчает расширение функций систем при их совершенствовании. Применение эффективных методов интеграции систем. Автоматизация производственных процессов на начальном этапе привела к применению микропроцессоров (компьютеров) для управления отдельным оборудованием. При дальнейшей автоматизации появилась необходимость создания локальных объединений компьютеризованных устройств с целью централизации управления, совместного использования информации ресурсов и для решения комплексных задач. Такое объединение по существу сводится к обеспечению информационного взаимодействия между компьютерами, управляющими отдельными устройствами. При магистрально-модульном методе отдельные части объединяются в интегрированную систему путем подсоединения компьютеров, управляющих этими частями, к коммуникационной среде в виде магистрального канала. В небольших по размерам сетях, в частности в судовых, для обеспечения содействия отдельных ЭВМ обычно используется один магистральный (моноканал), замкнутый в виде петли (кольца), в которой циркулирует информация. Приборы, обеспечивающие подключение микропроцессорных систем к каналу, называются блоками доступа к нему, интерфейсными устройствами. При использовании модулъно-иерархического метода части (модули), которых образуется ИС, располагаются по уровням их значимости, на низшем уровне решают узкие задачи, а другие модули, высшие по иерархии, обеспечивают решение задач более высокого уровня путем управления и коррекции модулей низшего уровня. 1.9. Обеспечение качественного функционирования ИС. Общие сведения. Рассматривая интегрированные системы управления (ИСУ) сложными объектами, необходимо обратить внимание на одну их важную составляющую, находящуюся в настоящее время в процессе интенсивного развития - систему обеспечения качества (эффективности) управления. Практически любая интегрированная система управления сложным процессом требует принятия в реальном масштабе времени определенных мер для поддержания качественной ее работы. Кроме того, в современных ИСУ процессы так сложны и протекают настолько быстро, что без специальных технических средств контролировать правильность акционирования и обеспечивать эффективную работу системы, практически невозможно. Особенно остро эта задача стоит для судов, где необходимость повышенной готовности систем обусловливается опасностью процесса судовождения, высокой стоимостью объекта управления, перевозимого груза, тяжелыми экологическими последствиями аварий судов и связанной с этим возможностью больших убытков от поломок и сбоев в функционировании комплекса судовых технических средств. Обеспечение эффективности ИСУ при эксплуатации может быть определено как задача специальной системы, управляющей качеством рассматриваемой ИСУ.
Система, управляющая эффективностью работы другой системы, именуется системой обеспечения качества (СОК). В результате внедрения СОК в состав ИСУ образуется иерархическая система, где на верхнем уровне находится СОК, а на нижнем - ИСУ в роли объекта управления качеством. Управляемыми величинами в COК является совокупность показателей, характеризующих эффективность рассматриваемой ИСУ, а управляющими воздействиями - меры, которые принимаются для обеспечения требуемых их значений. Следует отметить, что обеспечение качества ИСУ невозможно без знания показателей управляемого ей процесса и текущей информации об их значениях. Управление качеством ИСУ может осуществляться по-разному: вручную - человеком либо группой людей, полуавтоматически - человеко-машинной системой, автоматически - без участия оператора. Эффективность современных ИСУ поддерживается СОК, использующими для обеспечения качества компьютеры (Computer Aided Quality Control System). Компьютеризованная СОК встраивается в интегрированную систему управления как одна из ее частей, и обладает структурной, программной, метрологической и конструктивно! совместимостью со всеми другими компонентами ИСУ. Перечень задач, которые должна решать СОК определяется, исходя из следующих соображений. Под качеством управления обычно понимается соответствие функционирования ИСУ ее целям. На него влияет изменение свойства объекта управления и управляющей системы, нарушения целостности информационных потоков, изменение состояния внешней среды и pяд других факторов. Резкие ухудшения качества функционирования, а иногда и невозможность дальнейшей работы ИСУ, порождаются поломками её аппаратуры, отказами. Обеспечение полноценного функционирования сложных систем управления включает широкий круг задач. Среди них можно отметить: - надзор за работой аппаратуры всех частей ИСУ и управляемого ей объекта, - контроль информационных, энергетических и материальных потоков ИСУ и её частей, - обнаружение изменения свойств подсистем ИСУ, - прогноз работы и выявление нежелательных тенденций в изменении состояния аппаратуры, - обнаружение ошибок в данных, в работе программного обеспечения, - выявление неисправностей, их причин и др. Задачи СОК кардинально отличны от функций ИСУ. В общем плане система оценки качества должна осуществлять сбор информации параметрах, отражающих свойства системы управления. Это параметры: • состояния процесса управления, • работы технических средств ИСУ, • состояния информационных, материальных и энергетических потоков. В результате оценки этой информации СОК должна обнаруживать отклонения свойств системы управления от требуемых, и выявить причины их изменения. На основании полученных результатов система обеспечения качества должна сформировать решение о мерах, т.е. о воздействии на ИСУ, для устранения причин, повлекших изменение свойств комплекса управления, с целью достижения высокой эффективности его функционирования. Создание автоматических СОК для интегрированных систем управления включает решение следующих проблем: • определение параметров, достаточно полно отражающих полезные свойства ИСУ; • организацию источников информации для получения значений этих параметров в процессе функционирования ИСУ; • разработку стратегии наблюдения за свойствами ИСУ; • создание алгоритмов для выявления причин изменения и для прогнозирования свойств системы управления по результатам наблюдений; • построение алгоритмов выработки решений для устранения причин, ухудшающих качество работы ИСУ. Таким образом, эффективная работа СОК в основном определяется содержанием процедур, связанных с информацией, и, главным образом, с извлечением из наблюдений сведений об изменении свойств системы управления. Основные процедуры СОК. Измерение - сравнение наблюдаемой величины с ее единицей с целью значения этой величины в форме, наиболее удобной для звания. Измерения выполняются с помощью технических средств,
литература Основная Чипурнов А.И. Судовая электроавтоматика. М.: Транспорт, 1984. Исаков Л.И. Устройство и обслуживание судовой автоматики. Л.: «Судостроение», 1989. Сизых В.А. Судовая автоматика и аппараты контроля. М.: Транспорт, 1986.
