ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МАШИН И СИСТЕМ НАН УКРАИНЫ Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности – Информационные технологии СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ОКРУЖЕНИЯ СИСТЕМ БЕЗОПАСНОСТИ Серая Анна Андреевна Киев Научный руководитель д.т.н., проф. Казимир Владимир Викторович

Объект и предмет исследования Объект исследования – процессы функционирования управляющих систем безопасности на потенциально опасном производстве (угольные шахты, химические предприятия, ядерные реакторы и т.п.). Система безопасности – часть системы управления, объединяющая в своем составе управляющие элементы и оборудование, обеспечивающее безопасное функционирование объекта управления (УТАС, УСБ АС, УСБ ХП и т.п.). Безопасное функционирование определяется условиями, в которых протекает технологический процесс. Данные условия вместе с объектом управления формируют внешнее окружение систем безопасности. Предмет исследования – методы, информационные технологии и средства построения распределенных имитационных моделей внешнего окружения систем безопасности. 2

Схема работы системы безопасности 3 Система управления (СУ) Система безопасности (СБ) Управление (УТП) Управление безопасностью (УБ) Технологическое оборудование (ТО) Обеспечивающее оборудование (ОО) Внешние условия (ВС) Система безопасности - реактивная система, работа которой характеризуется постоянной поддержкой взаимодействия с разнородным внешним окружением и реагированием на его изменения. Особенность исследования СБ – невозможность проведения экспериментов в реальных условиях. Основной метод исследования – распределенное имитационное моделирование.

Существующие стандарты распределенного имитационного моделирования Свойство Наименование технологии DISHLA 1Использование объектно-ориентированного подхода –+ 2Наличие сервиса управления временем +/-+ 3Поддержка широкого спектра программно-аппаратных платформ –+ 4Гибкость архитектуры –+ 5Открытая технология –+ 6Масштабируемость –+ 7Наличие ограничений на язык программирования приложений ++ 8Наличие спецификаций на языках C++ и Java –+ 9Методы формализации –– 4 1.High Level Architecture (HLA). IEEE 1516, и Distributed Interactive Simulation (DIS). IEEE ,

Цель и задачи исследования 5 Цель исследования – разработка формального метода и программно- технологического инструментария системы распределенного моделирования на основе архитектуры HLA для моделирования внешнего окружения систем безопасности. Задачи исследования: анализ известных методов формализации в имитационном моделировании; усовершенствование теории агрегативных Е-сетей как общей формальной основы построения разнородных элементов архитектуры HLA; разработка метода интеграции формальных моделей федератов в архитектуру HLA; усовершенствование формального аппарата Е-сетей для моделирования непрерывных процессов внешнего окружения; расширение стандарта PNML для иерархических Е-сетей; разработка архитектуры, алгоритмов функционирования и структурных компонентов web-системы распределенного моделирования на основе иерархических Е-сетей; оценка эффективности разработанной распределенной системы имитационного моделирования; создание методики и примеров исследования систем безопасности с помощью разработанной системы имитационного моделирования.

High Level Architecture (HLA) [Richard M. Fujimoto. Parallel and Distributed Simulation Systems // John Wiley & Sons, Inc., – 300p.] 6 Компоненты HLA: Эталонная объектная модель (OMT) Правила федерации Спецификация интерфейсов Федерат – компонент имитационного моделирования (имитационная модель, тренажер, «живой участник»). Федерация – объединение федератов, взаимодействующих в целях решения некоторой конкретной задачи.

Е-сети как средство формального описания поведения внешнего окружения Преимущества Е-сетей: возможность отображения потоков управления и данных; возможность количественного анализа моделируемых процессов; расширенные возможности реализации логических функций и механизмов маршрутизации развития процессов; поддержка объектно-ориентированного подхода; универсальная алгоритмическая система, эквивалентная машине Тьюринга. 7 Е-сети (G.Natt, 1972) Сети Петри (K.Petri, 1962) Агрегативные Е-сети (В.В.Казимир, 2003) Иерархические Е-сети (IE-net)

Формальное описание структуры федерации с помощью иерархических Е-сетей 8 Federation Federate Aggregate Переход - кусочно-линейный агрегат (КЛА)

Метод вложенных иерархических федератов 9

Взаимодействие между федератами 10

Connection Module (CM) 11 Внутренняя структура CM модуля Интерфейс CM модуля

Интеграция формального аппарата Е-сетей в архитектуру HLA 12

Расширенная архитектура федерации HLA 13 RTI - Portico

Архитектура системы моделирования EMS (однопроцессорное моделирование) 14

Архитектура системы моделирования EMS (распределенное моделирование) 15

Редактор моделей системы EMS 16

Моделирование непрерывных процессов 17

Язык IE-net Language (IEL) 1. Обеспечивает автоматическое формирование FOM.xml файла (имя файла, путь для сохранения, список атрибутов, список параметров) 2. Позволяет задавать функции на переходах V['X'] = UNIFORM(0,1); IF (V['X']>=0.3) RETURN 0; IF (V['X'] =0.2) RETURN 1; IF (V['X'] =0.1) RETURN 2; IF (V['X']

19 Объектная модель расширенного стандарта PNML

Расширение стандарта PNML для IЕ-сетей 1. Добавление нового атрибута definition PNML для объекта Transition: 2. Добавление атрибута attribute name для объекта Place 3. Введение понятия типа агрегата 20 typesubTypeОписание EtransitionT, F, J, X, YПереход IЕ-сети aggregateИмена типов агрегатов (задает пользователь) Вложенный агрегат queueFIFO, LIFO, PriorityFIFO, PriorityLIFOОчередь IЕ-сети input Input, RTIInput, InFromModel Вход агрегата и CM output Output, RTIOutput, OutToModel Выход агрегата и CM

Сравнение систем имитационного моделирования Arena OpenG PSS SPEEDESTriad.Net Parallel Solutions AnyLogicEMS Графический режим построения моделей +––+–++ Доступ к системе в режиме on-line –+–+––+ Поддержка HLA архитектуры ––+–––+ Моделирование непрерывных процессов –––––++ Распределенное моделирование –++++–+ Свободно распространяемый продукт –+–+/

Производительность EMS б) в режиме reliableа) в режиме best_effort OwnPorticoPorticoCertiMak 52500, ,53, ,2558, , OwnPorticoPorticoCertiMak , , , ,

Методика моделирования внешнего окружения СБ с помощью EMS 1. Прогнозирование вероятностей состояний объекта с помощью имитационной модели 2. Оценка параметров работы СБ с помощью распределенной имитационной модели 23 Модели внешнего окружения на основе иерархических Е-сетей позволяют: воссоздать сценарии развития аварий; идентифицировать аварийные последовательности с определением их частоты появлений; определять важные с точки зрения риска элементы (процессы) в аварийных последовательностях; отображать зависимость систем безопасности от конкретных исходных условий; прогнозировать наступление аварийной ситуации и принимать решение о ее недопущении в текущий момент времени моделирования. Варианты исследований

Прогнозирование аварийной ситуации на угольной шахте Состояния угольной шахты: Q 0 – нет метана и нет искры (p=0,7); Q 1 – есть метан, нет искры (p=0,1); Q 2 – нет метана, есть искра (p=0,11); Q 3 – есть метан и искра (p=0,09). 24 Интенсивность Значение

Имитационная модель прогнозирования аварийного состояния угольной шахты 25

Результаты моделирования 26

Имитационная модель производства газобетона 27 ПДК водорода = 0,8%; 1 форма выделяет 1900л = 0,1%

Агрегат - сектор заливки 28 Вложенный агрегат – выделение водорода Поступление исходных материалов Добавление алюминия Транспортировка в камеру (90с)

29 Агрегат - камера нагревания Вложенный агрегат – выделение водорода Выбор пути Нагревание формы (90мин) Сигнал в систему вентиляции

Агрегат – выделение водорода в секторе заливки 30 Сигнал от системы вентиляции Условия начала заливки Подсчет концентрации водорода (шаг 1с) Процесс заливки Передача данных о концентрации водорода в систему вентиляции

Агрегат – выделение водорода в камере нагревания 31 Сигнал от системы вентиляции Процесс нагревания (60мин) Подсчет концентрации водорода (шаг 1мин) Передача данных о концентрации водорода в систему вентиляции

Результаты моделирования 32

Результаты моделирования 33 Результат: вентиляторы необходимо включать через 25мин на 5 мин

Основные научные и практические результаты 1. Впервые предложено формальное определение иерархических Е-сетей, которое позволяет подойти к исследованию сложных систем с позиций системного анализа и моделировать разнородные процессы внешнего окружения систем безопасности. 2. Впервые разработано метод интеграции иерархических Е-сетей в архитектуру HLA. 3. Впервые разработано архитектуру, алгоритмы функционирования веб-системы распределенного имитационного моделирования в архитектуре HLA и язык описания моделей с помощью иерархических Е-сетей. 4. Впервые предложено методику моделирования внешнего окружения систем безопасности с помощью разработанной системы имитационного моделирования. 5. Усовершенствовано формальный аппарат Е-сетей для моделирования непрерывных процессов. 6. Расширено стандарт PNML для иерархических Е-сетей. 7. Произведена экспериментальная проверка производительности разработанных программных средств, которая показала их высокую эффективность. 8. Разработаны имитационные модели внешнего окружения управляющих систем безопасности угольной шахты и процесса производства газобетона. 34

Публикации, апробация и внедрение результатов работы 1.Результаты работы изложены в 14 научных трудах: 5 статей – в профессиональных изданиях Украины 8 публикаций в сборниках и материалах научных конференций получено 1 авторское свидетельство. 2. Результаты работы использованы в НИР ИПММС НАНУ «Разработка теоретических основ создания и исследования живучих гарантоспособных систем управления на основе вероятностно-физического подхода», 0110U001005, рр. 3. Система распределенного имитационного моделирования EMS прошла регистрацию в государственной службе интеллектуальной собственности Украины, свидетельство про регистрацию авторского права на произведение от Внедрение результатов диссертационной работы: ОП «Шахта имени О.Ф. Засядько», г. Донецк ООО «Ориентир-Будэлемент», г. Киев кафедра информационных и компьютерных систем Черниговского государственного технологического университета ( 35

Благодарю за внимание! 36