Технологические компьютерные системы в Норвегии
Ольга Волкова
Наш северный сосед Норвегия — страна фьордов, родина Эдварда Грига, земля викингов — сегодня стала одной из индустриально развитых стран Европы, где большое внимание уделяется высоким
 Экран одной из систем, разработанных с помощью Picasso-3 |
Лишь узкий круг специалистов, занятых в области ядерных исследований, знает о существовании международного центра OECD Halden Reactor Project (HRP), созданного под патронажем Организации экономического сотрудничества и развития (Organization for Economic Cooperation and Develom ment, OECD) в норвежском городе Халдене. Основанный более 40 лет назад для исследований ядерного топлива на базе Норвежского института энерготехнологий (IFE), с конца 70-х годов HRP занялся созданием компьютерных систем управления сложными технологическими процессами с учетом влияния человеческого фактора, предназначенных для атомных станций и исследовательских центров. За годы эксплуатации некоторых разработок HRP был накоплен большой опыт в управлении сложными технологическими процессами. Современные системы становятся все более универсальными и могут использоваться не только для управления реакторами, но и в других областях. При их создании учитывается опыт специалистов разных областей знаний из многих стран — от технологов и программистов, физиков и математиков до психологов.
Спонсорами OECD HRP являются около 100 организаций из 20 стран мира.
Безопасность атомных станций и предприятий со сложными и вредными для людей производствами — очень важная проблема, которая волнует всех.
Сегодня стало очевидно, что безопасность таких объектов во многом зависит от реакции человека, находящегося за пультом управления, на возникновение той или иной ситуации и от того, насколько правильное решение он примет. Одним из направлений работы HRP являются исследования в области взаимодействия человека и машины. Этими вопросами занимается специально созданная лаборатория (Man-Machine Laboratory), результаты деятельности которой используются при разработке компьютерных систем.
Компьютерные продукты HRP внедряются на нескольких атомных станциях, в том числе на российских. При поддержке норвежского правительства ряд систем устанавливается на Кольской АЭС, в сотрудничестве с Российским исследовательским центром “Курчатовский институт” начаты работы для повышения безопасности Ленинградской АЭС.
Сегодня у HRP имеется целый ряд разработок, которые могут стать своего рода кирпичиками при построении зданий сложных технологических систем управления различными промышленными объектами. Назовем наиболее интересные из них:
- Picasso-3 — система создания и управления пользовательским интерфейсом;
- COAST — набор инструментов для создания систем сигнализации;
- PEANO — набор инструментов для мониторинга в реальном режиме времени сложных и нелинейных процессов в промышленности;
- Aladdin — система сигнализации, диагностики и мониторинга переходных режимов;
- система виртуальной реальности, адаптированная для моделирования технологических систем и пультов управления и других объектов, а также для создания тренажеров и обучающих систем.
Рассмотрим перечисленные системы более подробно.
Picasso-3 — это гибкий и мощный инструмент, позволяющий разрабатывать и тестировать графические интерфейсы. Это уже третье поколение систем управления пользовательским интерфейсом (User Interface Management System — UIMS), разрабатываемых в рамках проекта с 1984 г. Графические интерфейсы в Picasso-3 создаются с помощью интерактивного редактора, при этом их компоненты могут быть сгенерированы, модифицированы и удалены в режиме реального времени. Графический редактор позволяет немедленно протестировать интерфейс и компоненты, чьи атрибуты динамически связаны со значениями параметров данных в приложениях. Таким образом, можно определить состояние приложения в любой момент времени. Динамическая связь и поведение интерфейса описываются разработчиком графического интерфейса с помощью языка pTALK (специально разработанный для Picasso-3 язык высокого уровня, базирующийся на Cи/Cи++). Чтобы облегчить восстановление и последующее использование объектов интерфейса (образов), они могут быть помещены в библиотеки.
 Схема подключения COAST |
Пользователями этой системы являются различные организации Норвегии, США, Нидерландов, Финляндии, Германии, Японии, Испании, Шотландии, Чехии, Южной Кореи, Швейцарии.
При разработке системы преследовались две главные цели:
- повышение качества графических пользовательских интерфейсов приложений;
- снижение стоимости разработки и поддержки.
Для выполнения первой задачи в Picasso-3 предлагается интерактивный режим проектирования и тестирования реальных технологических систем, благодаря чему разработка и тестирование становятся более эффективными. В этом процесcе используется графический редактор Graphiсs Editor (GED), имеющий два режима работы:
- режим редактирования для отображения рабочих функций, динамических параметров и диалогов;
- режим тестирования для проверки динамики.
Переключение между проектированием и тестированием интерфейсов осуществляется легко и быстро из меню GED.
Это делает Picasso-3 очень удобным инструментом создания прототипа, который путем некоторой эволюционной модернизации может адаптироваться для конкретной системы.
Экономия ресурсов на этом этапе разработки ПО может оказаться значительной, еще большую экономию можно получить на этапе инсталляции и использования ПО. Благодаря двум режимам работы графического редактора ошибки быстро находятся и корректируются, а главной задачей разработчика становится улучшение и расширение функциональности интерфейса.
Система управления Picasso-3 помогает разработчикам создавать графические интерфейсы для наблюдения за процессом в режиме реального времени, но возможны и другие приложения.
Назовем ее основные особенности:
- объектно-ориентированные принципы проектирования;
- интерактивный режим редактирования;
- постоянная проверка динамики технологического процесса;
- развитый язык диалога;
- удобный для разработчика программный интерфейс;
- несложная настройка конфигурации логических устройств и систем отображения.
|
Характерной особенностью Picasso-3 является поддержка графики в динамике, что обеспечивается использованием pTALK и Cи/Cи++ как языка с дополнительными конструкциями для графических манипуляций. Компиляция осуществляется в режиме рабочего времени, и новый pTALK может быть добавлен и протестирован немедленно как на стадии проектирования, так и при запуске пользовательского интерфейса. Таким образом Picasso-3 обладает следующими возможностями:
- мультиэкранное отображение технологических систем;
- сетевая конфигурация;
- решения на платформах Unix и Windows NT;
- обновление информации в режиме реального времени и быстрый обмен данными;
- разделение пользовательских интерфейсов и кода;
- низкая стоимость разработки и поддержки.
Система Picasso-3 удобна для приложений, где большое количество данных передается в пользовательские интерфейсы, а графические объекты создаются и модифицируются в режиме реального времени, отражая текущее состояние процесса.
Типичные приложения включают процесс управления и контроля, системы поддержки оператора и управления сетью, интерфейсы экспертных систем, аварийные системы, сигнализацию, интерфейсы моделирования и разработки инструментов моделирования.
COAST (Computerized Alarm System Toolbox) — это удобный инструмент для улучшения функциональности SCADA-систем. Добавляемый в виде модуля к системе управления процессом, он получает сигналы об измерениях, структурирует полученную информацию и возвращает ее в систему управления для представления в пользовательском интерфейсе. Модуль связан с различными графическими системами через COAST API.
Система COAST обладает способностью фильтровать, структурировать и отбирать сигналы. Она оценивает полученный сигнал по соответствующим критериям и принимает решение о его отображении на экране оператора. Назовем особенности COAST:
- способность выбирать приоритетные сигналы в зависимости от состояния процесса;
- контроль пределов изменений определенных видов сигналов;
- модельная и функциональная идентификация сигналов;
- объектно-ориентированный подход;
- возможность отслеживания причинно-следственных связей;
- возможность простого подсоединения к уже существующим системам управления технологическими процессами;
- мощная и гибкая структуризация сигналов;
- выявление ошибок (неисправностей);
- способность к диагностике;
- использование систем сигнализации как интерактивных инструментов;
- избирательное накопление информации о переходных процессах.
 Рабочий экран одной из систем с PEANO |
COAST упрощает создание и поддержку систем сигнализации. Специально для нее на базе Cи/Cи++ был создан объектно-ориентированный декларативный язык высокого уровня, обеспечивающий быстрое исполнение и удобный просмотр. Для более легкого повторного использования классы сигналов собираются в библиотеки.
COAST поддерживает графическую систему с регулярной информацией о сигналах, представляет сигналы на больших просмотровых дисплеях, имитирует процесс (в виде мнемосхем) и выдает листинги сигналов. Продукт имеет общий интерфейс с Picasso-3 и может запускаться на платформах Unix и Windows NT.
В настоящее время эта система внедрена в разных организациях Норвегии, Испании, Чехии, Италии, США, Венгрии, Южной Кореи и Словакии.
Система PEANO (Process Evaluation and Analysis by Neural Operators) применима к мониторингу процесса c целью раннего обнаружения дефектов. Она базируется на методах нейронной сети, основанных на разработках в области искусственного интеллекта, и имеет дружественный интерфейс пользователя, разработанный для операторов центров управления процессами.
Основные возможности PEANO:
- проведение текущих измерений и наилучшая оценка значений параметров;
- определение достоверности сигнала в рамках допустимого диапазона;
- оценка уровня шума и тенденции изменения сигналов;
- приемлемость границ отклонений в переходных процессах;
- оценка сигналов, приходящих от разных подсистем, и их соответствия друг другу;
- автоматическое переключение экранов дисплея на отображение сигналов, которые имеют отклонения;
- распечатка протокола.
Все эти возможности позволяют оператору наилучшим образом оценить ситуацию и тенденции поведения процесса. В результате он может вовремя установить и изолировать поврежденные измерительные датчики либо на основе других корректно измеренных взаимосвязанных переменных оценить тенденции их дрейфа и определить доверительный интервал этой оценки. Система была успешно протестирована на мультиаварийных сценариях с данными, полученными из реальных технологических процессов, включая информацию о шумах, медленном дрейфе и внезапных повреждениях. Она внедрена на исследовательском реакторе в Халдене, где мониторинг осуществляется по 29 параметрам.
PEANO состоит из устройств конфигурации, обучения и мониторинга.
Устройство конфигурации устанавливает протокол интерфейса процесса, определяет его характеристики, имена и типы сигналов и другие константы. Вся информация о процессе
 Виртуальный проект моста в г. Халден |
Устройство обучения “обучает” систему мониторингу процессов. Обучение ведется шаг за шагом, процедура за процедурой в режиме off-line через дружественный интерфейс. Параметры, устанавливаемые для обучения, могут быть очищены от шумов до начала обработки.
Устройство мониторинга работает в режиме реального времени на протяжении выполнения процесса, отображает прежде установленные параметры сигналов для определения тенденций и возможных повреждений в системе.
Каждая станция-клиент отражает состояние процесса и может быть управляемой независимо от остальных станций. Все они подсоединены к серверу по протоколу TCP/IP.
PEANO запускается как отдельно стоящая система на рабочей станции под Windows NT или в распределенной архитектуре с одним PEANO-сервером, который через TCP/IP связан с любым количеством независимых станций мониторинга.
Помимо TCP/IP к серверу можно подсоединиться с помощью интерфейсов RS-232, RS-485, а также через любую аналоговую плату с IEEE+488, IEEE+488.1 либо IEEE+488.2.
Система Aladdin позволяет идентифицировать события с помощью классификации переходных режимов, которые могут иметь место при работе технологической системы. Для этого параметры предварительно классифицированных процессов сопоставляются с переменными, установленными при работе системы с тем, чтобы определить, какое событие приводит к изменениям сигналов. Для испытаний системы использовались примеры переходных процессов на одной из атомных станций, где были допущены семь различных видов аномалии. Во время тестирования система корректно идентифицировала все переходные процессы.
Система состоит из предпроцессора для очистки от шумов и компрессии данных, “разрешающего” модуля, который определяет, находятся ли пришедшие в потоке данные в заданных пределах (если нет, то такой поток классифицируется как неизвестный), а также трех нейронных сетей, осуществляющих классификацию потоков данных. Модуль-классификатор усредняет данные классификациинейронных сетей, обеспечивая тем самым идентификацию переходного режима.
Система виртуальной реальности (VR) внедрена как один из инструментов разработки компьютерных систем и других проектов. На базе HRP создан Центр виртуальной реальности, в котором проходит обучение и тренинг персонала, работающего с системами управления, а также студентов специальных колледжей. На базе системы создаются виртуальные тренажеры для работы со сложными устройствами. Таким образом, у персонала появляется прекрасная возможность подготовиться к работе с реальными объектами. Одним из примеров может служить тренажер, разрабатываемый в настоящее время совместно с “Курчатовским институтом” для Ленинградской АЭС.
Методы VR позволяют не только смоделировать процесс, но и с помощью специально разработанного шлема определить, куда в первую очередь смотрит оператор и что он делает при возникновении в системе тех или иных ситуаций. Дело в том, что при проектировании интерфейсов пользователя важно так построить отображение информации, чтобы оператору было максимально удобно следить за экраном и управлять процессами.
У системы виртуальной реальности есть много и других перспектив, особенно в области дизайна. Благодаря ей можно спроектировать дом или увидеть на экране предполагаемый интерьер, смоделировать новый автомобиль или какую-нибудь конструкцию. Система была удачно применена при проектировании нового моста, который строится в городе Халдене. Специалисты Центра виртуальной реальности виртуозно разработали проект. Сейчас мост уже почти достроен, и он прекрасно вписался в архитектурное окружение.
Об авторе: Ольга Волкова — собственный корреспондент PC Week/RE в Норвегии.