Проект: Самоорганизующаяся информационная система Smart-MES для электростанций

Фирма ИнформСистем уже давно разработала интеллектуальную самоорганизующуюся систему Smart-MES «MES-T2 2020» для реализации технологии экономии топлива на ТЭЦ и на ГРЭС посредством поминутного расчёта фактических и нормативных ТЭП в реальном времени, и для реализации технологии безаварийной эксплуатации атомных энергоблоков.

Цель проекта

Создание самоорганизующейся информационной Системы для всей промышленности, которая позволяла бы мгновенно реализовывать и менять любые сложнейшие алгоритмы расчётов на инженерном языке без программирования, полностью организуя с нуля все элементы большой Системы: базы данных, экранные формы, отчёты, DLL-программы для расчёта, аналитику и оптимизацию.

Актуальность проблемы

Самоорганизация Системы не требует традиционного программирования при создании программ для любых сложных расчётов и для математического моделирования. Написание и коррекция алгоритмов на простом инженерном языке позволит самим технологам проводить эксперименты на математической модели без участия программистов. Это в свою очередь сильно сократит время от замысла до реализации, а также сократит затраты на разработку различного программного обеспечения и его коррекцию.

Оценка важности решаемых в проекте задач

Быстрая реализация любых расчётов и построения любых математических моделей без программирования позволяет ускорить реализацию производственных технологий. Подобной самоорганизующейся Системы нет ни в России, ни за рубежом. Учёные ещё только предрекают в далёком будущем появление самоорганизующихся Систем, как важнейшее научное достижение в ИТ. Мы же данную Систему уже разработали и готовы передать всю технологию создания самоорганизующихся Систем промышленности России.

Новизна идей и технических решений

1) Описание набора технологических задач на простом инженерном МЕТА языке во встроенном инструментальном средстве “Конструктор Проектов”;

2) Автоматическая настройка всей Системы с текстового описания Проекта, т.е. автоматическое создание Проводника задач, Информационных баз данных, Справочников, Экранных форм, Отчетов и Расчётов;

3) Автоматическое создание скоростных расчетных DLL-программ;

4) Встроенная реализация оптимизационных задач: Симплекс-методом, ХОП-методом (Характеристика Относительных Приростов) и методом Динамического программирования;

5) Автоматическая настройка Приложения Клиент/Сервер с любым SQL-Сервером по 3-х звенной структуре;

6) Автоматическая настройка WEB-Приложения для расчетов в Интернете.

Реализация Системы возможна в 2-х модификациях: Клиент-Сервер с 3-х звенной структурой без SQL-Сервера и Клиент-Сервер с 3-х звенной структурой с SQL-Сервером. 3-х звенная структура означает, что в обоих случаях имеется сервер Приложений общих расчетов, который выполнен на DLL-программе, формируемой автоматически. Клиент-Сервер с SQL-Сервером работает с любой SQL БД (Firebird, MS SQL-Server, Oracle, Interbase, MySQL, PostgreSQL, Informix и др.). Структура Клиент-Сервер с SQL-Сервером автоматически настраивается по настройкам Конструктора АРМов.

Описание принципов, которые лежат в основе проекта

Конструктивно Система включает четыре составляющие: Конструктор АРМов, SQL-Приложение, Графический редактор, WEB-Приложение. Основным является Конструктор АРМов. Приложения SQL и WEB работают по настройкам этого Конструктора АРМов. Система не имеет своих средств сбора данных непосредственно с датчиков, а осуществляет их импорт из существующих автоматизированных средств нижнего уровня. При отсутствии каких-либо исходных данных используется ручной ввод с последующей трансформацией данных на уровень минутных или иных интервалов расчета.

Конструктор АРМов осуществляет полную адаптацию Системы к конкретным условиям и может эксплуатироваться в многопользовательской конфигурации Файл-Сервер или Клиент-Сервер без SQL-Сервера. В этом случае Конструктор АРМов выполняет две функции, как рабочее место Администратора Системы для внесения всевозможных коррекций и как толстый Клиент, т.е. с множеством аналитических, оптимизационных и других функций. Но в данном случае есть одна очень важная особенность, что используется Клиент-Сервер 3-х звенной структуры. Подобной конфигурации без SQL-Сервера не может быть ни в одной другой Системе, т.к. это наше ноу-хау. Преимуществами такой конфигурации Клиент-Сервер являются: отсутствие SQL-Сервера, на порядок выше скорость расчета, огромное число аналитики и других возможностей.

Конфигурация Клиент-Сервер 3-х звенной структуры без SQL-Сервера это новое слово в инновационном спиралевидном развитии информационных технологий. В то время, когда все поголовно перешли на Клиент-Сервер с SQL-Сервером, мы по иному представили неограниченные возможности нашей конфигурации Клиент-Сервера с прямым доступом к базе данных без использования медлительного SQL-языка. В данном случае имеется Сервер Информационных баз данных, Сервер Приложений и толстый Клиент. Все расчеты выполняет Сервер Приложений на DLL-программе, которая создаётся автоматически.

Приложение Клиент-Сервер с SQL-Сервером было разработано в пику IT-бузотерам, которые огульно хаяли Файл-Сервер. Поэтому мы дополнительно в конфигурацию Файл-Сервер добавили Сервер приложений и получили Клиент-Сервер без SQL-Сервера, а также разработали приложение Клиент-Сервер с SQL-Сервером

Приложение Клиент-Сервер с SQL-Сервером включает тонкий Клиент и Сервер Приложений на DLL-программе. В данном случае SQL-Сервер используется тот, который имеется. В самом начале функционирования на SQL-Сервер закачиваются из Конструктора АРМов все настройки и базы данных, и Система в конфигурации Клиент-Сервер с SQL-Сервером готова к работе.

Графический редактор нами был разработан, как самостоятельный программный продукт для создания архивных схем иерархической структуры в векторном формате с возможностью представления динамической информации. При создании самоорганизующейся Системы Графический редактор был в нее интегрирован.

WEB-Приложение является экзотическим программным продуктом. Он позволяет размещать в Интернете все расчеты с ручным вводом исходных данных и с аналитикой.

В Системе все аспекты выполнены по технологии радикальной инновации. Особую роль в Инновационной Системе играют два момента: Самоорганизация всего Комплекса и DLL-программы для расчета.

Самоорганизация Комплекса ПТО делает возможность разворачивание большой Автоматизированной Системы от нажатия одной Кнопки. При этом текстовые Проекты технологических задач преобразуются в необходимые составляющие Комплекса: Базы данных, Экранные формы, Отчеты, DLL-программы. Вся настройка Комплекса выполняется за несколько секунд автоматически. Такая мгновенная адаптивность программного Комплекса к постоянно изменяющимся внешним и внутренним факторам позволяет всегда иметь достоверную математическую модель.

Уникальные DLL программы автоматически создаются в машинных кодах при компиляции текстовых Проектов. Этим достигается самая высокая скорость расчетов, что обеспечивает реализацию оптимизационных задач динамического программирования на полной реальной модели.

Можно много говорить и об интеллектуальных возможностях Системы с использованием технологических срезов, и о ХОП (характеристика относительных приростов) оптимизации, и о встроенном симплексном методе решения задач линейного программирования, и о решении оптимизационных задач методом динамического программирования с минимаксной стратегией, и об инновационных алгоритмах предупреждения Аварийных Ситуаций. Но остановлюсь лишь на двух немаловажных моментах, т.е. Система – это полностью наша собственная разработка, аналогов которой нет даже за рубежом, и невероятная легкость внесения изменений в технологические задачи самими технологами.

В процессе длительной разработки Системы мы осуществляли черновую адаптацию Комплекса на двух десятках ТЭЦ, ГРЭС и АЭС для расчёта ТЭП.

Существующие препятствия на пути решения проблемы

Данная Система нами давно разработана для электроэнергетики. Но после реорганизации вся электроэнергетика “подсела” на западные ИТ, имеющие раскрученные бренды. Поэтому мощнейшая разработка мизерной фирмы вызывает недоверие. Пробиться на рынок в Генерирующие компании и на электростанции без коррупционных связей и без поддержки Руководством страны просто стало не возможным.

Научно-технический задел

Под самоорганизацией понимается необратимый процесс, приводящий в результате кооперативного взаимодействия подсистем к образованию более эффективных структур с позиции компьютерной Системы. Использование феномена самоорганизации является необходимым условием поддержания конкурентоспособности Системы и создания новых конкурентных преимуществ. Сам же феномен самоорганизации нашей Системы является необычным явлением и очень редким фактом, т.е. это то, что трудно постичь.

Экстремумами цели самоорганизации Smart-MES являются: минимизация действий технолога при адаптации Системы к конкретным условиям и максимизация скорости расчёта технологических алгоритмов. И эти экстремумы в Системе не просто легко достигаются, а имеют такие значения, которые превзойти просто не возможно.

Минимизация действий технолога обеспечивается встроенным инструментальным средством “Конструктор проектов” технологических задач в текстовом виде. Каждая задача на инженерном языке формулируется в табличном виде, с которым и взаимодействует человек. Отдельно описывается содержание колонок таблицы и её строки. Все алгоритмы конструируются из шаблонов. Обозначение показателей имеют привычное для технологов написание.

Максимизация скорости расчёта обеспечивается четырёх кратным преобразованием постановки задачи в исполнительный машинный код. Здесь следует особо остановиться на оптимизации машинного кода по принципу одного прохода сверху вниз. Например, когда решается задача в Excel, то всегда бывает, что аргументы в верхних клетках рассчитываются ниже. Таким образом, существует необходимость многократного прохода таблицы. В нашем же случае это не происходит, т.к. в момент преобразования в машинный код порядок вычисления меняется для будущего однократного прохода.

Основным конкурентным преимуществом феномена самоорганизации Smart-MES является практически мгновенный переход математической модели от ситуации “как есть” к ситуации “как должно быть”. Это изменение происходит в темпе функционирования самой Системы и фактически при минимальном участии человека. Феномен самоорганизации обеспечивает безграничное развитие Системы в части технологического функционала без программирования.

А теперь представьте ситуацию, когда Система сама реагирует на изменение текущего контекста и мгновенно запускает самоорганизацию. В данном случае эффект контекста может иметь обширное влияние на маркетинговые и потребительские решения особенно в условиях неопределённости.

Подобный феномен самоорганизации Системы позволяет вообще отказаться от разработки различных программ. И в данном случае тысячи программистов можно будет использовать в иных областях. Всю же производственную сферу легко перекроет самоорганизующаяся Система. Ведь для того, чтобы обеспечить любые оперативные расчёты в любом количестве и любой сложности, достаточно это отразить в тексте. И больше ничего не надо. Всё остальное сделает самоорганизация этой Системы.

И самое главное, самоорганизация не вносит новые ошибки в новую сформированную Систему, т.к. она оперирует лишь с новой мета информацией, а основной хребетный скелет Системы остаётся неизменным. Этим гарантируется абсолютная надёжность производственной программной Системы.

Ожидаемый научно-технический результат проекта

В чём же уникальность данной технологии создания самоорганизующихся Систем? Всё очень просто. Она родилась не в результате глубокомысленных научных изысканий академиков, а в процессе многолетнего творческого труда простых российских инженеров. И мы, в конце концов, добились абсолютной самоорганизации Системы с наилучшими в мире адаптационными и скоростными характеристиками. Структура такой Системы непохожа ни на одну западную технологию.

В данном случае текст на инженерном языке компилируется, и в результате многоступенчатой обработки создаются все шаблоны и DLL для расчёта. Другими словами, абсолютно пустая в технологическом плане EXE-болванка готовит текст, его обрабатывает и затем с полученным материалом функционирует.

Этот процесс самоорганизации полностью совпадает с обучением человека, но с тремя огромными различиями. Во-первых, человек обучается 20 лет, а Система несколько секунд. Во-вторых, обучаемый человек сам для себя тексты не готовит, т.к. не умеет, а Система, напротив, легко это делает. И в третьих, человек, обучившись однажды, уже не способен полностью переобучиться, а Система легко и мгновенно способна обнулить все знания и загрузить новые, но мало того, она способна оперировать с множеством различных знаний одновременно.

Возможности данной самоорганизующейся Системы просто огромны, которые определяются следующими 4-мя основными составляющими: Главный Модуль, SQL-Модуль, Графический Модуль и WEB-Модуль.

Главный Модуль имеет инструментарий для быстрой подготовки текстов с алгоритмами расчётов на инженерном языке. Данный инструментарий обрабатывает все подготовленные тексты, оптимизируя результирующий машинный код. Этот же Главный Модуль выполняет все сгенерированные расчёты с предоставлением развитой аналитики. К тому же он обеспечивает функционирование многопользовательской Системы по 3-х звенной структуре (сервер баз данных, сервер приложений, толстый клиент) без SQL-Сервера БД.

Зачем же нужна в принципе самоорганизующаяся Система? Дело в том, что учёные, анализируя этапы развития программных Систем, предрекали в будущем появление именно самоорганизующихся Систем, как благо для всего мира. Но независимо от них мы такую Систему уже создали. Поэтому самоорганизация это веление века. И нам повезло быть первыми. Это получилось потому, что мы сразу отказались от всех западных догм построения больших Систем, основанных на их SQL базах данных.

Идея здесь была поставлена следующая, чтобы вручную не создавать ни одного компонента Системы, к которым относятся: меню задач, экранные формы, отчёты, расчёты в машинных кодах, справочники, базы данных и аналитика. Для этого был разработан специальный инженерный язык табличной формы. Знание этого языка совсем не требуется, т.к. он формируется автоматически из шаблонов в Конструкторе Проектов. Таким образом, происходит 4-х ступенчатое преобразование постановки технологической задачи в реальный машинный код.

Хоть данная Система и разрабатывалась для расчёта ТЭП ПТО электростанций, но фактически в результате получилось, что на ней можно реализовывать вообще любые расчёты для экономики, для оборонки, для нефтегазовой и химической промышленности, и даже строить эксперименты по созданию искусственного интеллекта. А если коротко, то наш принцип самоорганизации пригоден вообще для любых программных Систем.

Этот принцип самоорганизации позволил нам максимально улучшить адаптационные и скоростные характеристики Системы. Сейчас смело можно заявить, что создать иную Систему с более лёгким адаптационным функционалом не возможно, как и не возможно создать более скоростную Систему.

Обоснование выбора технических решений

Самоорганизация большой Системы позволяет реализовать огромный круг замыслов вообще без традиционного программирования.

В данном случае используется 4-х кратное преобразование постановки задачи в машинный код.

1) Постановка задачи с помощью Конструктора Проектов преобразуется в табличный текстовый Проект на инженерном языке.

2) Инженерный язык преобразуется в мнемонический язык одноадресной машины для выполнения расчётов в режиме интерпретации с целью их отладки.

3) Мнемонический язык преобразуется в язык программирования Pascal с оптимизацией порядка следования операторов.

4) Pascal преобразуется в машинный код.

При преобразовании инженерного языка параллельно создаются базы данных, шаблоны экранных форм и отчётов.

Ожидаемые результаты

Самоорганизующаяся Система обладает самыми легчайшими свойствами адаптации к различным условиям и имеет самую большую скорость выполнения расчётов.

Так 20000 (50 задач) сложнейших расчётов фактических и нормативных технико-экономических показателей ПТО средней электростанции с использованием 300 графических энергетических характеристик оборудования реализуются менее чем за 1 секунду на обычном компьютере.

Внесение любых изменений в алгоритмы расчёта происходит за 5 секунд.

Возможная средняя ежегодная прибыль по каждой электростанции Генерирующей компании от экономии топлива за счёт оперативного контроля над его перерасходом составляет 300 миллионов рублей при единовременных затратах всего в 10 миллионов рублей.