Translate this page:
Please select your language to translate the article


You can just close the window to don't translate
Library
Your profile

Back to contents

Cybernetics and programming
Reference:

Development of a methodology for constructing control systems for complex technical complexes using the methods of mathematical category theory

Fedosovsky Michail Evgen'evich

PhD in Technical Science

Head of the Systems and Technologies of Technogenic Safety Department of the St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics

197101, Russia, g. Saint Petersburg, ul. Kronverkskii Prospekt, 49

27122009-2@mail.ru
Other publications by this author
 

 

DOI:

10.25136/2644-5522.2018.5.27561

Received:

01-10-2018


Published:

25-11-2018


Abstract: The object of research in this work are the control systems of complex technical complexes. The subject of research is the methodology for developing control systems for complex technical complexes. The developed methodology for creating a control system for complex technical complexes is based on the idea of generating a sequence of mappings of conceptual models into infological models and, further, into datalogical models. Previously, the author presented conceptual and infological modeling and the mathematical models corresponding to these levels, as well as the relations between them, that is, mathematical categories. The developed methodology for creating a control system for complex technical complexes is based on the methods of the theory of mathematical categories. The categories presented in the datalogical representation have two levels of abstraction. The main findings of the study:1. A unified description of families of inhomogeneous mathematical models reflecting a different level of abstraction (generalization) at the stage of the datalogical presentation of subject problems makes it possible to create formulations for the general definition of models with a description of their structure.2. The developed method of datalogical modeling provides all the possibilities for providing customization on specific software and hardware tools for implementing a control system for complex technical complexes.


Keywords:

mathematical category theory, mathematical model, abstract levels, conceptual modeling, infological modeling, datalogical modeling, control systems, computer-aided design, display, technical complex


Введение

Современные информационные технологии являются базой в процессе многочисленных научных исследований по разработкам и реализациям различных методов для решения задач проектирования систем управления (СУ) сложными техническими комплексами (СТК). Разработанная методология создания СУ СТК базируется на идее генерации последовательности отображений кон­цеп­ту­аль­ных моделей в инфологические модели и, далее в да­та­ло­ги­чес­кие модели. Концептуальные модели имеют три уровня абстракции – абстрактный, объектный и конкретный. В [1-6] представлено концептуальное и инфологическое моделирование и соответствующие этим уровням математические модели и отношения между ними, то есть математические категории. В этом случае математические категории могут служить основой при создании единой семантической базы [7]. В данной работе рассматривается этап даталогического моделирования.

Разработка моделей для этапа даталогического моделирования

Обнаруженные в процессе ис­сле­до­ва­ний закономерности, научная основа которых базируется на фундаментальных тео­ре­ти­ческих по­ло­же­ниях, появляются в процессах создания математических моделей при даталогическом представлении. Кроме того, при формулировке методологических способов объек­ти­ви­ро­ва­ния систем знаний, а также при формально-языковом мо­де­ли­ро­ва­нии проектно-конструкторских задач, данные законы обладают свойством от­обра­­жения ре­гу­лярности при создании зна­­­ко­­вых конст­­рукций и баз знаний [8,9].

Проведенные исследования по даталогическому моделирова­нию, ориентированное на конкретные про­грам­мно-тех­ни­ческие средства, являющееся основой при представлении проктно-конструкторских задач, позволили ха­рак­те­ри­зо­вать мно­жество современных технологий разработки СУ СТК на базе трех важнейших условий:

– организация модельного представления (логическая, фи­зи­чес­кая);

– организация систем автоматизированного проектирования СУ СТК (рас­пре­де­лен­ная, централизованная);

– компоненты программного продукта (доступ, обработка, информационные).

Формально даталогическое представление для n – ой пред­мет­ной за­дачи можно записать так:

Д(n) = (Д2(n), {Д3(n)}),

где Д2(n) – даталогическа модель n – ой предметной задачи на объектном уровне;

{Д3(n)} = (Д31(n), Д32(n), …, Д3t(n)) – даталогическая модель для t – ой реализации n – ой предметной за­да­чи на конкрет­ном уровне.

Даталогическую модель на i – том уров­не абст­­рагирования формально можно представить следующим образом:

Дi = (Ob_Дi, Mor_Дi),

где Ob_Д2={md2,l(p,j)} – представляет из себя множество структурных элементов;

Ob_Д3={md2,i(p,j,s)} – представляет из себя множество представителей структурных элементов;

Mor_Дi = (S_Дi D_Дi F_Дi V_Дi)– множество отношений на объек­­­тах;

S_Дi = (B_Di, P_Di, BP_Di) - статические отношения на струк­­тур­ных элементах;

B_Di Ob_Дi ×Ob_Дi – бинарные отношения на Ob_Дi;

B_D2 = {md2,i(p,l), md2,j(q,s)}; B_D3 = {md3,i(p,l,s), md3,j(q,r,t)};

Pi – схемы на Ob_Дi;

P_D2 = {pd2(i,j,p,q)}=({md2,i(v,i), md2,j(w,s)},{md2,p(r,t), md2,q(u,g)});

P_D3 = {pd3(i,j,p,q,r,s)}=({md3,i(v,i,h), md3,j(w,s,a)},{md3,p(r,t,b), md3,q(u,g,c)});

BP_Di P_Дi ×P_Дi – бинарные отношения на P_Дi;

BP_D2 = {pd2(i,j,p,l), md2(v,u,s,r)}; BP_D3 = {md3(i,,j,p,q,r,s), md3(a,b,c,d,g,h)};

D_Дi = (L_Дi,BL_Дi) – динамических отношения на струк­тур­ных элементах;

L_Дi – доступы к структурным элементам;

L_Д2 = {ld2,i(p,l)} – множество типов доступов;

L_Д3 = {ld3,i(p,l,g)} – множество представителей типов доступов;

B_Li L_Дi ×L_Дi – бинарные отношения на L_Дi;

BL_Д2 = {ld2,i(p,l), ld2,i(r,s)}; BL_Д3 = {ld3,i(p,l,g), ld3,j(r,s,h)};

F_Дi = (W_Дi,BW_Дi) – функциональные отношения на струк­тур­ных элементах;

W_Дi – манипуляции;

W_Д2 = {wd2,i(p,l)} – типы манипуляций;

W_Д3 = {wd3,i(p,l,g)} – представители типов манипуляций;

BW_Di W_Дi ×W_Дi – бинарные отношения на W_Дi;

BW_Д2 = {wd2,i(p,l), wd2,j(r,s)}; BW_Д3 = {wd3,i(p,l,g), wd3,j(r,s,h)};

V_Дi = (G_Дi,BG_Дi) – виртуальные отношения;

G_Дi – вариации ви­зу­ализации доступов к данным, представленные как форм-отчеты и ви­зу­а­ли­за­ции процесса обработки данных представленная как форм-меню;

G_Д2 = {gd2,i(p)} – множество вариаций ви­зу­ализации;

G_Д3 = {gd3,i(p,q)} – множество представителей вариантов ви­зу­ализации;

BG_Di G_Дi ×G_Дi – бинарные отношения на G_Дi;

BG_Д2 = { gd2,i(p), gd2,j(q)}; BG_Д3 = {gd3,i(p,g), gd3,j(r,s)}.

При помощи состава и структуры при даталогическом представлении предметных задач происходит от­ра­жение ло­ги­ческой организации автоматизируемых задач на различных уров­нях абстра­ги­ро­вания. Следует отметить необходимость учета составляющих даталогических моделей – ста­ти­чес­кой, динамической, функциональной и виртуальной. Это позволит достичь (с заданной точностью) со­пря­женность инфологического представления предметных задач с даталогическим представлением предметных задач [3]. Закономерности отображений инфологических моделей в даталогические учитывают идентичность применения абстракций в процессе создания связей у моделей на одинаковых уров­нях абст­ракции. При наличии формального описания инфологических и даталогических пред­став­­­ле­ний становится возможным учет и систематизация всевозможных со­от­­но­ше­ний и свя­зей между компонентами и элементами, существующими у конкретной математической модели, так и всевозможных со­от­­но­ше­ний и свя­зей, существующими у математических моделей на раз­ных уровнях абстрагирования для всех пред­став­­ле­ний. Кроме того, в процессе модели­ро­ва­ния проектно-конструкторских задач, это формальное описание служит базой для дальнейшего методического вы­яв­ле­ния и описания требуемых со­от­­но­ше­ний и свя­зей.

Существование формальных взаимосвязей между инфологическими и даталогическими моделями предоставило следующие возможности:

– в случае наличия вербального знакового пред­став­ле­ния создавать ограничения для множеств всевоз­мож­ных зависимостей и связей;

– сделать формализованное знаковое представление пред­мет­ной задачи полным при помощи применения к нему семантического дополнения.

Создание для автоматизируемых проектно-конструкторских задач в процессе разработки СУ СТК метода отображения инфологических моделей в даталогические происходило в направлениях:

– вскрытия оснований;

– обнаружения структуры отображений;

– доказательство закономерностей отображений.

Формулирование закономерностей отображений мо­де­­лей имеет следующую базу:

– унифицированный математический аппарат создания математических моделей;

– унифицированная структура закономерностей при формировании математических моделей;

– наличие законов цикличности.

Вычислительные эксперименты проводились при помощи системы MATLAB [10-13].

Применение разработанной методологии для проектирования систем управления транспортно-технологическими комплексами перегрузки ядерного топлива c учетом требований по безопасности

Актуальность разработки новых СУ транспортно-технологическими комплексами перегрузки ядерного топлива вызвана требованием модернизации оборудования на всех Российских АЭС [14-19] Это связано с тем, что ранее разработанные СУ перегрузкой ядерного топлива имеют объем защит и блокировок, рассчитанный на ручной режим работы. При этом, ответственность за безопасность перегрузки несет, в основном, оператор перегрузочного комплекса [20]. Поэтому разработка теоретических и практических положений, связанных с повышением безопасности технологических процессов перегрузки ядерного топлива очень востребованы.

Одним из основных требований к модернизированной СУ перегрузки ядерного топлива является требование возложения главенствующей роли в обеспечении ядерной и радиационной безопасности процесса перегрузки в автоматическом режиме работы на саму СУ.

Согласно разработанной методологии, на этапе ОКП [1,2,4] был проведен анализ традиционных процессов решения задач проектирования СУ технологического процесса перегрузки ядерного топлива с учетом требований по безопасности СУ и всего процесса в целом согласно регламентирующим документам в части, касающейся технологического процесса перегрузки [20].

Исходной ин­­формацией на данном этапе являются сведения, полученные из и до­­ку­мен­таль­ных ис­точников и экспертов в данной предметной области.

Процесс моделирования технологического процесса перегрузки активной зоны основан на использовании библиотеки типовых моделей технологических циклов, операций, интервалов безопасности, комплектов оборудования, отдельных нарушений, защит и блокировок.

Основные разделы библиотеки типовых моделей следующие:

- превышение допустимых воздействий (ПДВ) на кампании перегрузки;

– ПДВ на технологических циклах;

– ПДВ на технологических операциях;

– ПДВ на интервалах безопасности;

– нарушения технологического процесса (НТП) на интервалах безопасности;

– Модели распространения НТП;

– Модели преобразования НТП;

– Модели инициирующих НТП;

– Модели отказов защит;

– Модели отказов блокировок;

– Прочие модели.

Это соответствует моделям ОИПi, i=1,2,3 [3].

Некоторые результаты, ролученные на данном этапе, представлены в Таблице 1( критерии безопасности).

Таблица 1

Критерии безопасности

Вид воздействия

Критерий безопасности –

превышение допустимых воздействий (ПДВ)

Нормативный документ

Усилие растяжения

Максимальное усилие извлечения тепловыделяющей сборки (ТВС) из гнезда реактора – 39 200 Н

0401.22.00.000РЭ,

пункт 8.2.5

Предельное верхнее положение ТВС

Подъем отработавшей штанги ТВС выше отметки, обеспечивающей слой воды из условий безопасности, не допускается

ПНАЭ Г-14-029-91,

пункт 6.5.11

Саморазрушение ТВС

Перегрузка ТВС с механическими повреждениями не допускается

0401.22.00.000РЭ,

пункт 10.6

Перегрев ТВС

Перегрузка ТВС при снижении уровня воды в зоне обслуживания МП не допускается

ПНАЭ Г-14-029-91,

пункт 4.2.11

Далее, согласно разработанной методологии решалась задача адаптации полученных на предыдущих этапах мо­делей к техническим характеристикам имеющихся в наличии про­грам­мно-тех­ни­чес­ких средств для организации вычислительных сре­д и ин­фор­ма­ци­он­но-вы­чис­ли­тель­ных процессов. Это соответствует моделям Д(n) = (Д2(n), {Д3(n)}). Кроме того, в даталогические модели были занесены знания о причинах возникновения НТП на разных уровнях.

Далее в даталогические модели были занесены знания (правила, ограничения) распространения нарушений.

– Действие НТП завершается с началом штатного перемещения механизма.

– Вероятность распространения НТП исключается.

– Действие НТП прекращается при безусловном переходе НТП в ПДВ.

– Действие НТП не рассматривается, если оно не является нарушением технологического процесса для данного интервала безопасности.

– Действие НТП не рассматривается, если оно не позволяет выполнить штатную технологическую операцию, но при этом не создает ПДВ.

– НТП, связанные с нарушениями нормальной эксплуатации (посторонние предметы, отклонения геометрических размеров зоны обслуживания, перегружаемых изделий и т.п.) считаются возникшими, когда они начинают оказывать влияние на безопасность технологического процесса.

– Действие НТП прекращается при переходе рассматриваемого НТП в другое НТП.

– Действие НТП не рассматривается в связи с невозможностью его существования на рассматриваемом интервале безопасности.

– Действие НТП прекращается в основном сценарии при переходе рассматриваемого НТП в сценарнообразующее НТП.

Ниже приведены результаты применения разработанной методики для проектирования СУ СТК перегрузки ядерного топлива на энергоблоке № 3 Калининской АЭС. В качестве исходных данных были использованы:

– Типовая программа перегрузки ядерного топлива;

– Схема зоны обслуживания энергоблока № 3 Калининской АЭС;

– Эксплуатационная документация на перегружаемые изделия;

– Эксплуатационная документация на оборудование перегрузочных машин и СУ;

– Данные по расчету надежности отдельных компонентов перегрузочных машин и СУ;

– Экспертная оценка частоты технологических нарушений;

– Типовой регламент проведения технологических операций по перегрузке ядерного топлива.

По методике [18] была рассчитана вероятность возникновения превышения допустимых воздействий для различных событий для тепловыделяющей сборки (ТВС), Таблица 2.

Таблица 2.

Результаты расчетов для ТВС

ПДВ

Описание ПДВ

Вероятность возникновения ПДВ

D01

Падение ТВС

1,964*10-2

D02

Превышение допустимого крутящего момента

2,842*10-5

D03

Боковой удар ТВС

1,463*10-6

D04

Превышение допустимого усилия при извлечении/установке ТВС

2,178*10-3

D05

Превышение допустимого усилия сжатия ТВС

4,132*10-5

D06

Превышение предельного верхнего положения

8,750*10-7

D07

Превышение допустимого усилия изгиба ТВС

1,713*10-1

D10

Превышение допустимого нагрева ТВС

1,417*10-6

Комплексный показатель вероятности безопасного функционирования

1,893*10-1

Затем были проделаны следующие шаги:

– Определение видов ПДВ, имеющих наибольшую вероятность.

– Анализ каждого из выбранных видов ПДВ с целью определения событий, в наибольшей степени влияющих на вероятность ПДВ. Результаты для двух нарушений технологического процесса представлены на Рисунке 1 и Рисунке 2.

– Разработка дополнительных мер безопасности по событиям, имеющим наибольшее влияние.

– Проведение повторного расчета показателей безопасности.

ris_2

Рисунок 1. Влияние отказов оборудования СУ перегрузочными машинами на вероятность падения ТВС

ris_3

Рисунок 2. Влияние отказов оборудования СУ МП на вероятность превышения усилия изгиба ТВС.

Далее был проведен анализ результатов расчетов и разработка дополнительных мер безопасности. Полученные результаты представлены в Таблице 3.

Таблица 3

Принятые дополнительные меры безопасности

Нарушения в наибольшей мере влияющие на безопасность

Дополнительные меры безопасности

Изменения структуры схемы системы

Отказ базового оборудования

1. Введение дополнительных контроллеров защиты

Ложное срабатывание приводов

(фиксатора, моста/тележки)

2. Введение второго уровня блокировки с независимым исполнительным устройством

Отказ блока управления электроприводом

Введение дополнительных блокировок

Подхват ТВС

1. Блокировка подхвата ТВС

Отказ энкодеров захвата ТВС

2. Блокировка по диагностике энкодеров

Отказ функционального оборудования энкодеров

захвата ТВС

Отказ тензодатчика захвата ТВС

3. Блокировка по диагностике тензодатчиков

Отказ функционального оборудования тензодатчика захвата ТВС

Изменение регламента эксплуатационных проверок

Ошибки при внесении параметров условий срабатывания защит и блокировок

1. Независимое внесение параметров

После этого, с учетом принятых мер безопасности, по методике [20] была снова рассчитана вероятность возникновения ПДВ для различных событий (Таблица 4, Рисунок 4). Предварительные расчеты, проведенные для кампании перегрузки 3-го энергоблока Калининской АЭС, показали эффективность предлагаемой методологии для усовершенствования системы управления МП с целью повышения безопасности перегрузки ядерного топлива.

Таблица 4

Результаты расчетов для ТВС после введения дополнительных мер безопасности

ПДВ

Описание ПДВ

Вероятность возникновения ПДВ

D01

Падение ТВС

3,876*10-5

D02

Превышение допустимого крутящего момента

2,749*10-6

D03

Боковой удар ТВС

6,475*10-7

D04

Превышение допустимого усилия при извлечении/установке ТВС

1,083*10-3

D05

Превышение допустимого усилия сжатия ТВС

2,045*10-5

D06

Превышение предельного верхнего положения

5,370*10-10

D07

Превышение допустимого усилия изгиба ТВС

2,059*10-4

D10

Превышение допустимого нагрева ТВС

1,029*10-7

Комплексный показатель вероятности безопасного функционирования

1,092*10-3

ris_4

Рисунок 4. Сравнение вероятностей повреждений ТВС.

Заключение

Формально даталогическое представление предметных задач предоставляет возможность систематизации и описания математических моделей конкретных проектно-конструкторских задач. Кроме того, появляется возможность дальнейшей интеграции этих пред­­став­ле­ний в еди­ное целое, которая является необходимым элементом множества связанных задач. Необходимо отметить, что в данном представлении имеется мно­жество ограничений, наличие которых обязательно при работе с универсальными пред­ставлениями.

Унифицированное описание семейств неоднородных математических моделей, отражающих различный уровень абстраги­рования (обобщения) на этапе даталогического представления предметных задач, делает возможным создания форму­лировок для общего определения моделей с описанием их структуры.

Разработанный метод даталогического моделирования предоставляет все возможности для обеспечения настройки на конкретных программно-технических средствав реализации СУ СТК.

References
1. Fedosovskii M.E. Razrabotka i razvitie metodologicheskikh polozhenii avtomatizirovannogo proektirovaniya na baze metodov matematicheskoi teorii kategorii//Kibernetika i programmirovanie. - 2017. - № 3. - S.10-22.
2. Fedosovskii M.E. Razrabotka metodov sistemnogo analiza dlya resheniya zadach upravleniya slozhnymi tekhnicheskimi kompleksami // Kibernetika i programmirovanie. - 2018. - № 3. - S.57-62.
3. Korobeinikov A. G., Fedosovskii M. E., Grishentsev A. Yu., Polyakov V. I. Metod infologicheskogo modelirovaniya v inzhenerii znanii dlya resheniya zadach avtomatizirovannogo proektirovaniya//Izv. vuzov. Priborostroenie. - 2017. - T. 60, № 10. - S. 925 – 931.
4. Gur'yanov A.V., Korobeinikov A.G., Fedosovskii M.E., Shukalov A.V., Zharinov I.O. Avtomatizatsiya proektirovaniya slozhnykh tekhnicheskikh kompleksov na osnove teorii kategorii//Voprosy oboronnoi tekhniki. Seriya 16: Tekhnicheskie sredstva protivodeistviya terrorizmu. - 2017. - № 3-4(105-106). - S. 9-16.
5. Korobeynikov A. G., Fedosovsky M. E., Gurjanov A. V., Zharinov I. O., Shukalov A. V. Development of Conceptual Modeling Method to Solve the Tasks of Computer-Aided Design of Difficult Technical Complexes on the Basis of Category Theory//International Journal of Applied Engineering Research ISSN 0973-4562 2017, Volume 12, Number 6, pp. 1114-1122.
6. Korobeynikov A.G., Fedosovsky M.E., Zharinov I.O., Polyakov V.I., Shukalov A.V., Gurjanov A.V., Arustamov S.A. Method for Conceptual Presentation of Subject Tasks in Knowledge Engineering for Computer-Aided Design Systems // Proceedings of the Second International Scientific Conference “Intelligent Information Technologies for Industry” (IITI’17) - 2017, Vol. 2, pp. 50-56.
7. Maklein S. Kategorii dlya rabotayushchego matematika/Perevod s angl. pod red. V.A. Artamonova. - M.: Fizmatlit, 2004. - 352 s.
8. Alekseev, G.V. Matematicheskie metody v inzhenerii. - SPb.: NIU ITMO, 2014. - 68 s.
9. Sommervill I. Inzheneriya programmnogo obespecheniya. - M.: Vil'yams, - 2002. - 624 s.: il.
10. Korobeinikov A. G. Razrabotka i analiz matematicheskikh modelei s ispol'zovaniem MATLAB i MAPLE. - SPb: SPbGU ITMO. – 2010. - 144 s.
11. Korobeinikov A. G. Proektirovanie i issledovanie matematicheskikh modelei v sredakh MATLAB i Maple. - SPb: SPbGU ITMO, - 2012. - 160 s.
12. Korobeinikov A. G., Grishentsev A. Yu. Razrabotka i issledovanie mnogomernykh matematicheskikh modelei s ispol'zovaniem sistem komp'yuternoi algebry. - SPb: NIU ITMO, - 2014. 100 s.
13. Grishentsev A.Yu., Korobeinikov A.G. Ponizhenie razmernosti prostranstva pri korrelyatsii i svertke tsifrovykh signalov//Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Priborostroenie. - 2016. - T. 59. - № 3. - S. 211-218.
14. Kuznetsov V.M., Khvostova M.S. Itogi ekspluatatsii i sovremennoe sostoyanie bezopasnosti atomnykh elektrostantsii, raspolozhennykh na territorii Rossiiskoi federatsii//Nadezhnost' i bezopasnost' energetiki. -2015. - № 2 (29). - S. 2-11.
15. Sviderskii A.G., Bilenko V.A., Anan'ev A.A. Avtomatizatsiya Rossiiskoi energetiki: novye zadachi, novye resheniya//Teploenergetika. -2013. - № 10. - S. 3.
16. Kishkin V.L., Narits A.D. Evolyutsiya programmno-tekhnicheskikh sredstv urovnya avtomaticheskogo upravleniya ASU TP atomnykh i teplovykh elektrostantsii//Doklady Belorusskogo gosudarstvennogo universiteta informatiki i radioelektroniki. 2015. - № 2 (88). - S. 13-15.
17. Ryasnyi S.I. Upravlenie resursom oborudovaniya pri inzhenernoi podderzhke ekspluatatsii AES//Teploenergetika. - 2015. - № 5. - S. 39.
18. Terekhov D.V., Dunaev V.I. Modernizatsiya peregruzochnoi mashiny energobloka № 5 Novovoronezhskoi AES//Teploenergetika. - 2014. - № 2. - S. 71.
19. Strezhkova M.A. Gosudarstvennaya politika RF v sfere razvitiya atomnoi elektroenergetiki//Energiya: ekonomika, tekhnika, ekologiya. - 2013. - № 4. - S. 16-26.
20. Obshchie polozheniya obespecheniya bezopasnosti atomnykh stantsii. (NP-001-15)//Utverzhdeny prikazom Federal'noi sluzhby po ekologicheskomu, tekhnologicheskomu i atomnomu nadzoru ot 17 dekabrya 2015 g. № 522.