CC BY
116
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
УДК 004.9:66.011: 66.026.2 Дата подачи статьи: 15.09.14
DOI: 10.15827/0236-235X.109.127-138
АРХИТЕКТУРА И ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИНСТРУМЕНТЫ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЛОГИСТИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРОМЫШЛЕННЫХ ТРУБОПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
Е.Р. Мошев, к.т.н., доцент, [email protected] (Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Комсомольский пр., 29, г. Пермь, 614990, Россия)
В данной статье указаны недостатки использования разрозненных комплексов программ при интегрированной логистической поддержке жизненного цикла промышленных трубопроводных систем. Отмечено, что устранить их можно, в частности, с помощью комплекса программ, разработанного с учетом современных концепций интегрированной логистической поддержки, концепции интегрированной информационной среды и специальных информационно-технологических инструментов, основанных на использовании методов математического моделирования, теории искусственного интеллекта и методов логистики ресурсосбережения в сфере организации производства. Описаны архитектура, вычислительно-сетевая структура и информационно-технологические инструменты, использованные при разработке комплекса программ интегрированной логистической поддержки. Архитектура комплекса программ включает базу данных, программное обеспечение и является открытой для информационного обмена с внешними комплексами программ. База данных состоит из девяти логических разделов, включающих информационный и интеллектуальный виды обеспечения, которые разработаны с помощью фреймовых и продукционных моделей представления знаний. Программное обеспечение состоит из одиннадцати функциональных модулей, а также программного и клиентского интерфейсов. Информационная организация вычислительно-сетевой структуры комплекса программ осуществлена через централизованный сервер баз данных предприятия с возможностью подключения удаленных пользователей с помощью терминального сервера. Рассмотрена комплексная логико-информационная модель интегрированной логистической поддержки жизненного цикла промышленных трубопроводных систем. Приведен фрагмент логико-информационной модели интегрированной логистической поддержки проектируемых трубопроводов, выполненный с использованием методологии IDEF0. Приведены примеры фреймовых моделей представления знаний о технико-технологических характеристиках трубопроводов, а также продукционных моделей представления знаний о конструкционных характеристиках фланцев и фланцевых соединений. Рассмотрены эвристическо-вычислительные алгоритмы, формализующие процедуры расчета характеристик фланцев и проверки фланцев на совместимость.
Ключевые слова: интегрированная логистическая поддержка, жизненный цикл, фрейм, продукционная модель, модель представления знаний, трубопровод, информационно-технологические инструменты, логико-информационная модель, эвристическо-вычислительный алгоритм, база данных.
Сложные трубопроводные системы, являясь одним из наиболее распространенных видов технических устройств промышленных предприятий, в значительной мере определяют эффективность и безопасность функционирования всего производства [1]. В условиях эксплуатации надежная работа трубопроводов обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта (ТОиР) (ГОСТ 18322-78). Одним из существенных факторов, определяющих качество ТОиР, является интегрированная логистическая поддержка (ИЛП). ИЛП - это совокупность видов инженерной деятельности, реализуемых посредством управленческих, инженерных и информационных технологий, ориентированных на обеспечение высокого уровня готовности изделий (в том числе показателей, определяющих готовность: безотказность, долговечность, ремонтопригодность, эксплуатационная и ремонтная технологичность и др.) при одновременном снижении затрат, связанных с их эксплуатацией (ГОСТ Р 53394-2009). При этом полагается, что принципы ИЛП должны реализовываться на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) изделий.
В настоящее время ИЛП промышленных трубопроводных систем осуществляется преимущественно с использованием разрозненных (неинтегрированных) комплексов программ, что объективно обусловливает следующие существенные недостатки в организации ИЛП:
- многократное дублирование большого количества рутинных, неавтоматизированных процедур;
- низкая скорость компьютерного формирования текущей технической документации и выполнения необходимых инженерно-технических и организационно-управленческих расчетов;
- противоречивость и искажение данных;
- сложность обмена информацией между субъектами ЖЦ трубопроводных систем;
- трудоемкость процедур систематизации и анализа данных по трубопроводным системам.
Указанные недостатки значительно снижают качество ИЛП и, как следствие, показатели надежности эксплуатации, промышленной и экологической безопасности, а также экономической эффективности предприятий в целом.
127
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Анализ состояния научных исследований по компьютеризации ИЛП в различных отраслях промышленности показал, что устранить перечисленные выше недостатки можно с помощью комплекса программ, разработанного с учетом современных концепций ИЛП, концепции интегрированной информационной среды (ИИС) (Р 50.1.031-2001) и специальных информационнотехнологических (ИТ) инструментов, основанных на использовании методов математического моделирования, теории искусственного интеллекта и методов логистики ресурсосбережения в сфере организации производства [2].
В соответствии с вышеизложенным в статье приведены результаты разработки архитектуры,
вычислительно-сетевой структуры и ИТ инструментов комплекса программ «Трубопровод» [3], применение которого позволит устранить недостатки, возникающие при интегрированной логистической поддержке ЖЦ промышленных трубопроводных систем с помощью разрозненных комплексов программ.
Архитектура и вычислительно-сетевая структура комплекса программ «Трубопровод»
Архитектура комплекса программ «Трубопровод» содержит БД, ПО и является открытой для информационного обмена с внешними комплексами программ (рис. 1). БД содержит интеллекту-
СЕРВЕР БД И БЗ
А
НБД
БМСС
ПБЗ
БИЭТ
ПБД
ТРУБОПРОВОДЫ,
ПКА
БШД
БЗТС
БТИМ
БИЭС
М1
модуль; информационной ; БЕЗОПАСНОСТИ А А А А А А А И КРИПТОГРАФИИ; А
М2: МОДУЛЬ СВЯЗИ С БД
У
программный интерфейс
А
БЛОК ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ КОМПЬЮТЕРА КЛИЕНТА
М3: Модуль работы с паспортнотехническими данными
М4: Модуль геометрических построений
М5: Модуль формирования монтажной до кументации
М6: Модуль формирования документации по ТОиР
М7: Модуль формирования сводных отчетов по трубопроводам
М8: Модуль расчета остаточного ресурса
М9: Модуль формирования и обработки файлов данных
М10: Модуль расчета буферов и диафрагм
М11: Модуль расчета теплоизоляции
Ультразвуковой толщиномер
ФФ
Дефектоскопист
лпр лпр
Рис. 1. Блок-схема архитектуры комплекса программ «Трубопровод» Fig. 1. A block diagram of "Pipeline" software package architecture
128
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
альное и информационное обеспечение, которое необходимо для формализации режимов функционирования и выполнения эвристико-вычислительных процедур ИЛП ЖЦ трубопроводных систем промышленных предприятий.
Интеллектуальное обеспечение состоит из продукционных баз знаний (ПБЗ), разработка которых осуществлялась с помощью рассмотренных ниже продукционных моделей представления знаний о промышленных трубопроводных системах.
Информационное обеспечение включает восемь логических разделов, имеющих следующее назначение.
• ПБД (переменная БД) включает два подраздела: «Трубопроводы» и ПКА (поршневые компрессорные агрегаты). Первый содержит электронные паспорта трубопроводов, второй - электронные паспорта поршневых компрессоров, а также характеристики буферных емкостей и дроссельных диафрагм - устройств, предназначенных для гашения энергии возбуждаемых компрессором и разрушающе воздействующих на трубопроводы пульсаций давления рабочей среды [4, 5].
• НБД (нормативная БД) содержит сведения из нормативно-технической документации по трубопроводам и их конструкционным элементам, включая стандарты технических требований и сортаментов, материалы изготовления и номинальные размеры конструкционных элементов, нормализованные значения условных диаметров и давлений.
• БМСС (база механических свойств сталей) содержит механические свойства нескольких десятков сталей, необходимые для автоматизированного расчета отбраковочных толщин стенок и массы элементов трубопровода.
• БИЭТ (база изображений элементов трубопровода) содержит более пятидесяти стандартизованных условных геометрических изображений элементов трубопровода, используемых для построения изометрических схем.
• БШД (база шаблонов документов) содержит более 60 структурированных текстовых шаблонов, выполненных в формате Microsoft Office и необходимых для автоматического формирования различных видов документации по трубопроводам, включая спецификацию, паспорт, свидетельство о монтаже, перечень технологических трубопроводов, акт испытаний.
• БЗТС (база замеров толщины стенки) содержит результаты замеров толщины стенки, используемые при автоматизированном формировании актов ревизии и отбраковки, а также при расчете остаточного ресурса трубопровода.
• БТИМ (база теплоизоляционных материалов) содержит марки и свойства теплоизоляционных материалов, которые необходимы для автоматизированного расчета толщины слоя теплоизоляции и площади поверхности ее покрытия.
• БИЭС (база изображений элементов сварки) содержит несколько десятков изображений для условного обозначения способов разделки (подготовки) кромок свариваемых элементов трубопровода, используемых при формировании технологических карт сварки и ремонта.
ПО комплекса программ «Трубопровод» (см. рис. 1) представлено клиентским и программным интерфейсами, а также расположенными на компьютере клиента одиннадцатью функциональными модулями следующего назначения.
М1: Модуль информационной безопасности и криптографии - предназначен для защиты комплекса программ «Трубопровод» от несанкционированного доступа и подтверждения действий пользователя электронной цифровой подписью.
М2: Модуль связи с БД - осуществляет взаимодействие с БД по запросам функциональных модулей компьютера клиента, переданным через программный интерфейс.
М3: Модуль работы с паспортно-технической документацией - с помощью разделов БД НБД, БМСС, БПЗ, ПБД и эвристическо-вычислительных алгоритмов выполняет расчет и обработку паспортно-технических данных трубопровода. С помощью раздела БД БШД формирует следующую паспортно-техническую документацию по трубопроводу: паспорт, спецификация, отчет по комплектации, отчет об отбраковочных толщинах и скоростях коррозии, отчет о результатах проверки соответствия материала изготовления элементов трубопровода требованиям нормативно-технической документации.
М4: Модуль геометрических построений - с помощью раздела базы данных «БИЭТ» осуществляет процедуры построения и редактирования изометрической схемы трубопровода; изображает трубопровод в 3D пространстве.
М5: Модуль формирования монтажной документации - используя разделы БД БИЭС и БШД, обеспечивает ввод данных о монтаже, автоматическое формирование технологической карты сварки и полного пакета документации по результатам монтажа трубопровода.
М6: Модуль формирования документации по ТОиР - используя разделы БД БШД, БЗТС, БТИМ, БИЭТ, БИЭС, БПЗ и ПБД, формирует следующую ремонтно-техническую документацию: акты технического обследования, отбраковки и испытаний, технологические карты ремонта, коррозионные карты трубопровода, заключения о проведении неразрушающего контроля, заключение об экспертизе сварных соединений, удостоверения о качестве ремонта и другие документы, необходимые для ИЛП трубопроводных систем.
М7: Модуль формирования сводных отчетов по трубопроводам - используя разделы БД ПБД и БШД, формирует около сорока сводных отчетов по трубопроводам установки, производства, пред-
129
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
приятия или по произвольно выбранной группе трубопроводов, в том числе перечень трубопроводов, комплектация трубопроводов, план-график диагностирования трубопроводов.
М8: Модуль расчета остаточного ресурса - используя разделы БД ПБД и БЗТС, осуществляет расчет гамма-процентного остаточного ресурса трубопровода. По результатам расчета автоматически формируется отчет.
М9: Модуль формирования файлов данных -используя разделы БД БШД и ПБД, осуществляет запись информации по трубопроводам в структурированные файлы данных открытого формата с целью их последующей передачи в комплексы программ: «SAP R/3» (система управления ресурсами предприятия), «PCMS» (система управления рисками и надежностью оборудования), «Старт» (система расчета трубопроводов на прочность и жесткость).
М10: Модуль расчета буферов и диафрагм -используя данные подразделов ПБД, позволяет рассчитать оптимальные значения объема буферных емкостей и диаметра отверстия дроссельных диафрагм, применяемых для гашения пульсаций давления рабочей среды.
М11: Модуль расчета теплоизоляции - используя разделы БД ПБД, БТИМ и БШД, осуществляет расчет толщины теплоизоляции трубопровода и поверхности ее покрытия, формирует отчет по результатам расчета.
Клиентский интерфейс обеспечивает диалог пользователя с функциональными модулями комплекса программ. Программный интерфейс осуществляет идентификацию элементов объектной (функциональные модули) и реляционной (сервер БД и БЗ) моделей данных.
Информационная организация вычислительносетевой структуры комплекса программ «Трубопровод» осуществлена через централизованный сервер БД предприятия (рис. 2). Использование централизованного сервера повышает доступность и своевременность предоставляемой информации, исключает противоречивость, искажение и дублирование данных при одновременном обеспечении к ним доступа всех пользователей компьютерной сети предприятия. Возможность подключения к серверу предприятия терминального сервера обеспечивает доступ к информации по трубопроводам удаленным пользователям.
Информационно-технологические инструменты комплекса программ «Трубопровод»
К информационно-технологическим инструментам комплекса программ «Трубопровод» относятся логико-информационные модели, фреймовые и продукционные модели представления знаний, а также эвристическо-вычислительные
Проекти- Начальник
Инженер Механик Эксперт технадзора установки
Рис. 2. Принципиальная схема вычислительно-сетевой структуры комплекса программ «Трубопровод»
Fig. 2. A schematic diagram of a computing network structure of "Pipeline" software package
алгоритмы, осуществляющие формализацию режимов функционирования и выполнения эвристико-вычислительных процедур ИЛП ЖЦ трубопроводных систем промышленных предприятий.
Комплексная логико-информационная модель. Данная модель ИЛП ЖЦ трубопроводных систем (рис. 3) содержит три блока моделей, адаптированных к соответствующим этапам ЖЦ и увязанных в единую информационную структуру с целью создания комплексного представления о трубопроводах, необходимого для решения сложных инженерно-технических и организационноуправленческих задач ИЛП на всех этапах ЖЦ.
Модель (см. рис. 3) отличается учетом концепций системного подхода [6] и сложных взаимосвязей между различными этапами ЖЦ, что позволяет автоматизировать ИЛП трубопроводных систем и обеспечить взаимодействие всех ее субъектов в едином информационном пространстве, при этом исключается выполнение дублирующих процедур и увеличивается скорость обмена данными, что способствует повышению качества и снижению стоимости ТОиР трубопроводов. Обмен данными внутри модели и с внешними комплексами программ осуществляется посредством БД.
На стадии детализации комплексной модели с целью снижения высокой размерности общей задачи ИЛП использовался метод декомпозиции, в результате применения которого комплексная модель (см. рис. 3) была сведена к логико-информационным моделям: проектируемых, монтируемых, эксплуатируемых и ремонтируемых трубопроводов. Эти модели разрабатывались с использованием методологии IDEF0 [7], широко применяемой в CALS-технологиях [8-10], а также с помощью методологии системного подхода [6] и концепции ИИС, которые могут учитывать существующие
130
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
пд, эд, нтд
Проектная
организация
Монтажная
организация
J
Паспортные и эксплуатационные данные
Моделт эксплуатируемого трубопровода
X
Эксплуатирующая и ремонтная организации
БД
В
К
п
Рис. 3. Блок-схема комплексной логико-информационной модели ИЛПЖЦ трубопроводных систем:
ТЗ - техническое задание, ТР - технологический регламент, НТД - нормативно-техническая документация, ПД - проектная документация, ЭД - эксплуатационная документация, ВКП - внешние комплексы программ
Fig. 3. A block diagram of integrated logic-information model of integrated logistics support
for pipeline systems life cycle
взаимосвязи между операциями внутри этапов и операциями между этапами ЖЦ, что позволяет автоматизировать и оптимизировать ИЛП трубопроводных систем как сложный организационно-
технологический процесс.
Блок-схема логико-информационной модели ИЛП проектируемых трубопроводных систем приведена на рисунке 4.
ТЗ, ТР, НТД
УЗЕЛ: АО
Выполнить ИЛП проектируемых трубопроводных систем
Рис. 4. Блок-схема логико-информационной модели интегрированной логистической поддержки проектируемых трубопроводных систем: НСД- нормативно-справочные данные, МПЗ - модель представления знаний,
ЭП - электронный паспорт, РД - руководящий документ, СА - стандарт ассоциации
Fig. 4. A block diagram of the logical information model integrated logistic support of designed pipeline systems
131
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Использование разработанных логико-информационных моделей обеспечивает взаимодействие субъектов ИЛП ЖЦ трубопроводных систем в едином информационном пространстве, что позволяет исключить дублирование и повысить скорость выполнения процедур ИЛП, а также увеличить скорость обмена данными. Результатом будут повышение качества и снижение стоимости технического обслуживания и ремонта трубопроводов. При этом логико-информационные модели могут использоваться как автономно, так и в составе единой информационно-структурированной системы - комплексной логико-информационной модели (см. рис. 3).
Фреймовые модели представления знаний. Декларативные знания о трубопроводных системах представлены фреймами. Фреймы относят к моделям структурно-лингвистического типа и применяют для моделирования и переработки разнообразных знаний различных производственных объектов [11]. Разработка фреймов осуществлялась с применением концептуального и таксономического анализа данных о промышленных трубопроводных системах, выполненного с помощью научно-технической, паспортной, эксплуатационной и ремонтной документации, а также с учетом знаний экспертов прикладной области. Разработаны следующие фреймовые модели: «Технико-технологические характеристики трубопровода», «Конструкционные характеристики трубопровода», «Технико-технологические характеристики поршневых компрессорных агрегатов» и «Конструкционные характеристики поршневых компрессоров».
Пример модели «Технико-технологические характеристики трубопровода» приведен на рисунке 5. Эта модель представляет сеть фреймов, где введены следующие обозначения: Q = (qh qi,
qn) - атрибуты; A = (ai>b aiJ-, aim) - характе-
ристики атрибутов, где i = 1, n - порядковый номер атрибута, n - количество атрибутов фрейма, i = 1, m - порядковый номер характеристики i-го атрибута, m - количество характеристик i-го атрибута; Рпр - давление испытаний на прочность; Рпл - давление испытаний на плотность; Рг - давление испытаний на герметичность; Pmax и Pmin - максимальное и минимальное давление рабочей среды; tmax и t™m - максимальная и минимальная температура рабочей среды.
Отличием разработанных фреймовых моделей является учет нормативно-технических и паспортно-технических требований к проектируемым, монтируемым, эксплуатируемым и ремонтируемым трубопроводам и поршневым компрессорам промышленных предприятий, что позволяет автоматизировать и существенно повысить качество ИЛП ЖЦ трубопроводных систем, а, следовательно, экономическую эффективность и промышлен-
ную безопасность эксплуатации предприятия в целом.
Продукционные модели представления знаний. Интеллектуальные знания об ИЛП ЖЦ трубопроводных систем описаны продукционными моделями представления знаний [11, 12]. Формирование продукционных моделей осуществлялось с помощью анализа нормативно-технической, паспортной, эксплуатационной и ремонтной документации, а также с учетом знаний экспертов прикладной области. Продукционные модели совместно с логико-информационными моделями ИЛП ЖЦ трубопроводных систем и фреймовыми моделями представления знаний о трубопроводах необходимы для разработки формализованных эвристико-вычислительных процедур ИЛП и содержат наборы продукционных правил, каждое из которых имеет вид: PR::= ЕСЛИ (условие применимости), ТО (действие) [11]. Например, продукционное правило выбора характеристик классификации трубопроводов - типа Тт, группы Гр и категории Кт имеет следующий вид: PRI::= ЕСЛИ ((Тср1, (Pi, R2), (ti, R2), До1, Тт, Гр1, Кт)п<Тср, P, t, До>^0), ТО (Тт = Тт л Гр = Гр1 л Кт = Кт), где Тср - тип среды по классу опасности; P и t - избыточное давление и температура рабочей среды трубопровода; До - диаметр, определяющий тип трубопровода; (PI, R2), (tI, R2) - допустимые нормативно-технической документацией диапазоны значений давления и температуры; R2 - отношение бинарности; I - идентификатор строки в модели представления знаний; о - операция пересечения множеств.
Разработано более тридцати наборов продукционных моделей представления знаний об общих технических характеристиках трубопроводов и характеристиках их конструкционных элементов. В таблицах 1 и 2 приведены примеры продукционных моделей представления знаний о фланцах и фланцевых соединениях, где Pymin, Pymax - нормативно-допустимые значения условного давления фланцев, МПа; Ду - условный диаметр фланца; TpF - тип фланца; СТТ - стандарт на технические требования; СКР - стандарт на конструкцию и размеры; СПР - стандарт на присоединительные размеры; Исп - номер исполнения фланца; Ст -марка стали; ССт - стандарт на сталь; nc - номер позиции фланцевого соединения; d, n - диаметр и количество болтовых отверстий фланца; nfa и nf -номера позиций фланцев в соединении; здесь и далее индекс а обозначает соответствие характеристик фланцу с номером позиции nfa, а индекс b - с номером позиции nfb.
Продукционные модели представления знаний, приведенные в таблице 1, используются для автоматизированного поиска фланцев, характеристики которых соответствуют требованиям нормативнотехнической документации при заданных параметрах рабочей среды; продукционные модели
132
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
представления знаний, приведенные в таблице 2, -для проверки фланцев на совместимость (возможность соединяться).
Эвристическо-вычислительные алгоритмы. Разработанные эвристическо-вычислительные алгоритмы ИЛП ЖЦ промышленных трубопроводных систем отличаются применением переменной БД, продукционной БЗ и базы механических свойств сталей, что позволяет автоматизировать расчет, проверку и поиск соответствующих требованиям нормативно-технической документации значений общетехнических и конструкционных характеристик элементов трубопроводов. При разработке эвристическо-вычислительных алгоритмов использовались процедуры дискретного, линейного, циклического программирования и ре-
зультаты тщательного анализа научно-технической, нормативно-технической, паспортно-технической документации и знаний экспертов.
Разработаны эвристическо-вычислительные алгоритмы выбора и расчета значений характеристик пяти типов конструкционных элементов трубопровода - «труба», «отвод», «фланец», «переход», «тройник» и двух типов фланцевых соединений - «плоские приварные» и «приварные встык». Разработанные с учетом требований нормативно-технической документации эвристическо-вычислительные алгоритмы позволяют автоматизировать определение значений характеристик указанных выше конструкционных элементов и соединений. Общее условие поиска рекомендуемых нормативно-технической доку-
133
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Пример продукционной модели представления знаний о фланцах An example of a productive model of flanges knowledge representation
Таблица 1 Table 1
I Тср Pymln Pymax tmln ^max TPf СТТ СКР СПР Исп Ст ССт
1 Инертные вещества 0,0499 2,6 -30 300 Плоский приварной ГОСТ 12816 ГОСТ 12820 ГОСТ 12815 1 Сталь 20 ГОСТ 1050
2 1-й класс опасности 2,6 6,4 -30 510 Приварной встык ГОСТ 12816 ГОСТ 12821 ГОСТ 12815 2 15Х5М ГОСТ 5632
3 ВОТ 1,7 6,4 -40 400 Литой стальной ГОСТ 12816 ГОСТ 12819 ГОСТ 12815 4 25Л-П ГОСТ 977
Таблица 2
Пример продукционной модели представления знаний о фланцевых соединениях
Table 2
An example of a productive model of flange connections knowledge representation
№ позиции № позиции фланца Нормативш ф ые ха шанц актеристики ев Координаты соединения Допустимые пары исполнений
nc nfa Ду Ру TpF СТТ СКР СПР Ст ССт d n x y z 1 2 3 4 5 6 7 8 9
nc nfb Ду Ру TpF СТТ СКР СПР Ст ССт d n x y z 1 3 2 5 4 6 7 9 8
ментацией значений характеристик элементов в алгоритмах представлено выражением
(%ь • • •, к», • • •, ke»,»)n (ПТ») Ф 0, (1)
где ke»i - i-я характеристика f-го типа элемента
трубопровода, i = 1, nf, nf - количество характеристик конструкционного элемента f-го типа; f = 1, Nf , N» - количество типов элементов трубопровода; (ПТ») - разнородное подмножество технико-технологических параметров трубопровода, необходимых для определения конструкционных характеристик элемента f-го типа.
Для элемента «Труба» условие (1) запишется в следующем виде: (Тср, (Ду, R2), (t, R2), Py, Дн, 5н, (S, R2), (ct, R2), Ст, ССт, СТТ, ГСт, Ттр, ВИ, Срт)п(Тср, t, Р, Дн) Ф 0, где Ру - условное давление; Дн - наружный диаметр; Рн - номинальная толщина стенки; (S, R2) - нормативный диапазон значений толщин стенки; ГСт - группа стали; Ттр - тип труб; ВИ - вид испытаний; Срт - стандарт на сортамент; (ct, R2) - нормативный диапазон расчетных напряжений в элементе от воздействия внутреннего давления.
На рисунке 6 представлен пример алгоритма выбора нормативно-допустимых значений конструкционных характеристик элемента «фланец», где добавлены следующие переменные и условные обозначения: ОЗУ - оперативное запоминающее устройство; ТЭ - тип элемента трубопровода; й?н, й?в, b, D, D1, D2, h, hi, h2, M - гео-
метрические характеристики фланца по НТД; Р20 - условное давление в пересчете на 20 °С; [ct]20, [ct] - допускаемое напряжение при температуре 20 °С и при рабочей температуре соответственно, МПа; nF, nK, nn - количество наборов продукционных правил для выбора стандартов на технические требования, конструкцию и размеры, и присоединительные размеры.
Аналогичные эвристическо-вычислительные алгоритмы разработаны для определения конструкционных характеристик и других указанных выше элементов трубопровода.
Разработанный эвристическо-вычислительный алгоритм проверки совместимости фланцев приведен на рисунке 7, где добавлены следующие переменные и условные обозначения: MpF - множество допустимых пар исполнений фланцев; RFa и RFb - промежуточные переменные; Шр - шаг резьбы; ТСВ - тип среды по веществу; Др - диаметр резьбы; d - количество строк с наборами для определения характеристик (в зависимости от индекса здесь и далее) - шпилек и гаек (Sg), гаек (g), материала прокладок (Pr), геометрии прокладок (gP), шпилек (S); Мр - марка детали; Мпр - материал прокладки; Стпр - стандарт прокладки; Дср - средний диаметр прокладки; Впр - ширина прокладки; Рпр - толщина прокладки; /] и 1S - расчетная и номинальная длины шпилек; /™1П, - границы нормативного диапазона длин шпилек; hg - высота гайки; ng, ns - количество гаек и шпилек.
Алгоритм (рис. 7) отличается тем, что, учитывая параметры рабочей среды и конструкционные характеристики фланцев, с помощью продукционной БЗ позволяет осуществить проверку конструкционной совместимости фланцев, образующих соединение, и определить характеристики элементов фланцевых соединений - гаек, прокладок и шпилек.
Таким образом, в статье указаны недостатки осуществления интегрированной логистической поддержки ЖЦ промышленных трубопроводных систем с помощью разрозненных комплексов программ. Установлено, что для устранения указанных недостатков необходимо применять комплекс
134
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
программ, разработанный с учетом современных концепций интегрированной логистической поддержки, концепции интегрированной информационной среды и специальных информационнотехнологических инструментов, основанных на использовании методов математического модели-
рования, теории искусственного интеллекта и методов логистики ресурсосбережения в сфере организации производства.
Описаны архитектура, вычислительно-сетевая структура и информационно-технологические инструменты, использованные при разработке
Рис. 6. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма расчета характеристик фланцев Fig. 6. A block diagram of the heuristic computation algorithm offlanges characteristics calculation
135
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
Рис. 7. Блок-схема эвристическо-вычислительного алгоритма проверки соединяемости фланцев Fig. 7. A block diagram of the heuristic computation algorithm of checking flanges connectivity
комплекса программ «Трубопровод», отвечающего современным требованиям интегрированной
логистической поддержки ЖЦ промышленных трубопроводных систем. Архитектура комплекса
136
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
программ содержит БД, программное обеспечение и является открытой для информационного обмена с внешними программными системами.
БД включает информационное и интеллектуальное обеспечение. Информационное обеспечение состоит из восьми логических разделов, разработано с помощью фреймовых моделей представления знаний о ИЛП ЖЦ промышленных трубопроводных систем и содержит переменные, справочные и нормативно-технические данные по трубопроводам. Дано краткое описание разделов информационного обеспечения БД.
Интеллектуальное обеспечение БД содержит наборы продукционных правил, созданные с помощью продукционных моделей представления знаний о технико-технологических и конструкционных характеристиках трубопроводных систем и поршневых компрессорных агрегатов.
Программное обеспечение комплекса программ «Трубопровод» состоит из одиннадцати функциональных модулей, а также программного и клиентского интерфейсов. Дано краткое описание назначения функциональных модулей и интерфейсов.
Приведена вычислительно-сетевая структура разработанного комплекса программ, включающая централизованный сервер предприятия, соединенные с ним по радиальной схеме компьютеры клиентов и терминальный сервер удаленного пользователя.
Даны примеры использованных при разработке комплекса программ «Трубопровод» информационно-технологических инструментов: комплексная логико-информационная модель ИЛП ЖЦ трубопроводных систем; логико-информационная модель проектируемого трубопровода, фреймовая модель представления знаний о технико-технологических характеристиках трубопровода, продукционные модели представления знаний о фланцах и фланцевых соединениях; эвристическо-вычислительные алгоритмы, формализующие процессы выбора фланцев и проверки их совместимости.
Автор выражает искреннюю благодарность члену-корреспонденту РАН Мешалкину В.П. за ценные научные консультации и методическую помощь.
Автор признателен к.т.н., доценту Мырзину Г.С. и ведущему программисту Власову В.Г. за большую практическую помощь в разработке и программной реализации проекта комплекса программ ИЛП ЖЦ трубопроводных систем промышленных предприятий.
Литература
1. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Проектирование и расчет оптимальных систем технологических трубопроводов. М.: Химия, 1991. 362 с.
2. Мешалкин В.П. Логистика и электронная экономика в условиях перехода к устойчивому развитию. Москва-Генуя: Изд-во РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2004. 573 с.
3. Мошев Е.Р. Разработка автоматизированной системы для интегрированной логистической поддержки технологических трубопроводов // Химическая промышленность сегодня. 2014. № 5. С. 32-43.
4. Мошев Е.Р., Ромашкин М.А. Модели и алгоритмы расчета устройств для гашения пульсаций газообразной среды в трубопроводных системах // Прикладная информатика. 2014. № 2 (50). С. 56-75.
5. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. М.: КолосС, 2000. 456 с.
6. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. М.: Химия, 1991. 432 с.
7. Марка Дэвид А. и Клемент МакГоуэн. Методология структурного анализа и проектирования SADT. М.: Метатехнология, 1993. 243 с.
8. Емельянов С.Г., Овсянников М.В., Схиртладзе А.Г., Захаров И.С., Колчин А.Ф., Червяков Л.М., Коротков И.А. Управление техническим документооборотом на основе CALS-технологий. М.: Славянская школа, 2005. 295 с.
9. Кондаков А.И. САПР технологических процессов. М.: Академия, 2007. 272 с.
10. Ковшов А.Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М., Никифоров А.Д. Информационная поддержка жизненного цикла изделий машиностроения: принципы, системы и технологии CALS/ИПИ. М.: Академия, 2007. 304 с.
11. Мешалкин В.П. Экспертные системы в химической технологии. Основы теории, опыт разработки и применения. М.: Химия, 1995. 368 с.
12. Батенькина О.В. Использование искусственного интеллекта в системах автоматизации технологической подготовки производства // Передовые информационные технологии, средства и системы автоматизации и их внедрение на российских предприятиях: сб. тр. Междунар. конф. AITA-2011. М.: Изд-во ИПУ РАН, 2011. С. 729-734.
DOI: 10.15827/0236-235X. 109.127-138 Received 15.09.14
ARCHITECTURE AND IT TOOLS OF A SOFTWARE PACKAGE OF INTEGRATED LOGISTICS
SUPPORT FOR INDUSTRIAL PIPING SYSTEMS Moshev E.R., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, [email protected] (Perm National Research Polytechnic University,
Komsomolsky Ave. 29, Perm, 614990, Russian Federation)
Abstract. The paper points the disadvantages of using disparate software systems for integrated logistics support of industrial piping systems life cycle. It notes that eliminating of these disadvantages is possible using a software system that is designed accordint to modern concept of integrated logistics support, the concept of integrated information environment and special IT tools based on mathematical modeling, theory of artificial intelligence and techniques of resource economy logistics in production organization. The article describes the archi-
137
Программные продукты и системы / Software & Systems
№ 1 (109), 2015
tecture, computing-network structure, information and technological tools that were used in the development of a software package of integrated logistics support. The software package architecture includes a database, software and is open to information exchange with external software systems. The database consists of nine logical parts. They represent information and intelligent support designed with frame-based and production models of knowledge representation. The software includes eleven functional modules, program interface and client interfaces. Information organization of a computing-network structure of a software package is carried out using a centralized enterprise database server with the ability to connect remote users using terminal server. The paper considers an integrated logic-information model of integrated logistics support of industrial piping systems life cycle. It also describes a fragment of logic-information model of integrated logistics support of designed pipelines. It is based on IDEF0 methodology. The authors describe the examples of frame-based models of knowledge representations of the pipelines technological characteristics, as well as the examples of productive models of knowledge representation of flanges and flanged connections structural characteristics. The paper considers heuristic computational algorithms that formalize procedures for flanges characteristics calculation and flanges compatibility check.
Keywords: integrated logistics support, life cycle, frame, production model, a model of knowledge representation, pipeline, IT tools, logic-information model, heuristic computational algorithm, database.
References
1. Kafarov V.V., Meshalkin V.P. Proektirovanie i raschet optimalnykh sistem tekhnologicheskikh truboprovodov [Design and Calculation of Optimal Systems of Technological Pipelines]. Moscow, Khimiya Publ., 1991, 362 p.
2. Meshalkin V.P. Logistika i elektronnaya ekonomika v usloviyakh perekhoda k ustoychivomu razvitiyu [Logistics and E-Economy in the Transition to Sustainable Development]. Moscow-Genoa, D. Mendeleyev University of Chemical Technology of Russia Publ., 2004, 573 p.
3. Moshev E.R. Development of an automated system for the piping integrated logistics support process. Khimicheskayapromyshlennostsegodnya [Chemical Industry Today]. 2014, no. 5, pp. 32-43 (in Russ.).
4. Moshev E.R., Romashkin M.A. Models and algorithms of devices calculation for damping gas medium pulsations in pipeline systems. Prikladnaya informatika [Applied Informatics]. 2014, no. 2 (50), pp. 56-75 (in Russ.).
5. Plastinin P.I. Porshnevye kompressory. Tom 1. Teoriya i raschet. 2-e izd. [Reciprocating Compressors. Vol. 1. Theory and Calculation. 2nd ed.]. Moscow, KoloS Publ., 2000, 456 p.
6. Kafarov V.V., Meshalkin V.P. Analiz i sintez khimiko-tekhnologicheskikh sistem [Analysis and Synthesis of Chemical Process Systems]. Moscow, Himiya Publ., 1991, 432 p.
7. Marca D.A., McGowan C.L. SADT: Structured Analysis and Design Technique. McGraw Hill Publ., 1988. (Russ. ed.: Moscow, Metatekhnologiya Publ., 1993, 243 p.).
8. Emelyanov S.G., Ovsyannikov M.V., Skhirtladze A.G., Zakharov I.S., Kolchin A.F., Chervyakov L.M., Korotkov I.A. Upravlenie tekhnicheskim dokumentooborotom na osnove CALS-tekhnologiy [Technical Paperwork Management on the Basis of CALS-Technologies]. Moscow, Slavyanskaya shkola Publ., 2005, 295 p.
9. Kondakov A.I. SAPR tekhnologicheskikh protsessov [CAD of Technological Processes]. Moscow, Akademiya Publ., 2007, 272 p.
10. Kovshov A.N., Nazarov Yu.F., Ibragimov I.M., Nikiforov A.D. Informatsionnaya podderzhka zhiznennogo tsikla izdeliy mashinostroeniya: printsypy, sistemy i tekhnologii CALS/IPI [Information Support of Engineering Product Lifecycle: Principles, Systems and Technologies CALS/ISP]. Moscow, Akademiya Publ., 2007, 304 p.
11. Meshalkin V.P. Ekspertnye sistemy v khimicheskoy tekhnologii. Osnovy teorii, opyt razrabotki i primeneniya [Expert Systems in Chemical Engineering. Fundamentals of the Theory, Development Experience and Application]. Moscow, Himiya Publ., 1995, 368 p.
12. Batenkina O.V. Using of artificial intelligence in automated systems of production technological organizing. Sbornik trudov mezhdunar. konf “Peredovye informatsionnye tekhnologii, sredstva i sistemy avtomatizatsii i ikh vnedrenie na rossiyskikhpredpriyatiyakh” AITA-2011 [Proc. of the int. conf. “Advanced Information Technologies, Tools and Automation Systems and Their Implementation on Russian Enterprises” AITA-2011]. Moscow, Institute of management named V.A. Trapeznikov Academy of Sciences Publ., 2011, pp. 729-734 (in Russ.).
138
