ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. Анализ состояния предметной области. Постановка задачи исследования 9
1.1. Проблемы интеграции разнородных данных 9
1.2. Анализ методов интеграции данных с точки зрения их применимости для создания
единого ХГД МП 15
1.3. Оценка применимости известных моделей, технологий хранения и доступа к данным для создания единого ХГД МП 18
1.4. Постановка задач исследования 21
ГЛАВА 2. Системный анализ информационных потоков металлургического производства 23
2.1. Информационная модель металлургического производств 23
2.2. Обоснование выбора источников информации на этапе процессов производства непрерывно литых заготовок 28
2.3. Разрозненность информации, как проблема для решения задач контроля качества
продукции металлургического производства 34
2.4. Выводы по второй главе 43
ГЛАВА 3. Методология разработки единого ХД МП 44
3.1. Разработка информационных моделей плана производства, готовой продукции,
единицы продукции МП 44
3.2. Разработка онтологических моделей плана производства, готовой продукции,
единицы продукции МП 55
3.3. Разработка логической структуры ХГД МП 66
3.4. Обоснование выбора технологии разработки единого ХГД МП 79
3.5. Методология структурного синтеза единого ХГД промышленного предприятия ....82
3.6. Выводы 83
Глава 4. Разработка модуля ХГД МП как части системы АС ВМП 84
4.1. Описание Автоматизированной Системы Выпуска Металлургической Продукции .84
4.2 Проблема выполнения запросов к единому ХГД МП, выявленные на этапе тестирования, и способ их решения 94
4.3. Программные инструменты, обеспечивающие работоспособность ХГД МП 103
4.4. Методика тестовых испытаний модуля ХГД МП 107
4.5. Результаты испытаний ПО модулей ХГД МП и КЗ 113
4.6. Вывод по четвертой главе 121
Заключение 123
Перечень сокращений и обозначений 124
Список литературы 125
Приложение 1. Перечень регистрируемых параметров для подсистемы доставки данных КП 132
Приложение 2. Перечень регистрируемых параметров прокатки и слежения за металлом на линии стана 2000 145
Приложение 3. Перечень параметров сляба 153
Приложение 4. Технические требования к результатам выполнения комплексного проекта 157
Приложение 5. Копии актов об использовании результатов диссертационного исследования 178
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности.
В современных условиях для управления бизнес-процессами каждого современного промышленного производства используют различные информационные системы (ИС), которые призваны решать, как задачи управления технологическим оборудованием, используемого для производства продукции, так и задачи сбора, хранения и анализа разнородной информации. Как правило, промышленные ИС по укрупненной классификации [1] разделяются на: АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическими процессами), MES-системы (Manufacturing Execution System) - автоматизированные системы управления производственной деятельностью предприятия в режиме реального времени, ERP-системы (Prise Resource Planning), обеспечивающие автоматизацию планирования, учета, контроля и анализа каждого бизнес-процесса промышленного предприятия. При этом оказывается, что каждая из данных типов ИС имеет собственные, уникальные, источники информации, а также скорость генерации информации и структуру информации. Указанная особенность источников информации и ее структуры определяют необходимость использования в каждой их ИС собственного хранилища данных (ХД) [2].
В результате информация о жизненном цикле одной и той же единице продукции (ЕП) промышленного производства, которая необходима для решения задач управления, оптимизации бизнес-процессов, выявления и устранения причин брака, оказывается размещенной в нескольких автономных ХД. Таким образом, возникает проблема поиска информации, релевантной решаемой задаче, которая хранится, одновременно, в нескольких автономных ХД. При этом дополнительные трудности возникают в связи с тем, что в большинстве случаев информация, хранящаяся в ХД одной ИС оказывается не синхронизованной во времени с информацией, хранящейся в ХД в другой ИС. Перечисленные выше проблемы, связанные с вынужденным распределением технологической информации по нескольким автономным ХД, и необходимости организации в этой связи информационного взаимодействия между различными ИС, в полной мере присущи современному металлургическому производству (МП), на котором реализуется полный жизненный цикл продукции: руда-чугун-сталь-металлопрокат, а также, при необходимости, утилизация продукции МП, что, закономерно, приводит к динамическому изменению структуры технологической информации, соответствующей ее текущему состоянию, на каждом из этапов ЖЦ продукции МП.
Выход из сложившейся ситуации достаточно очевиден - необходимо разработать универсальное ХД, пригодное для хранения технологической информации, создающейся в процессе производства продукции промышленного предприятия, которое позволит хранить, извлекать и анализировать информацию, структура которой принципиально разнородна и может изменяться с течением времени. При этом, понятно, что решить существующие проблемы удастся, если создать единое ХД промышленного производства, в котором будет храниться вся технологической информации о состоянии продукции промышленного предприятия на каждом из этапов ее ЖЦ, привязанная ко времени.
Для создания единого ХД промышленного производства необходимо решить многочисленные проблемы интеграции разнородных и, зачастую, несогласованных друг с другом, создаваемых разнородными источниками, работающими на различных физических принципах и обеспечивающим различный темпы генерации информации, которые далее мы будем называть гетерогенными данными (ГТ), соответственно единое ХД - хранилищем гетерогенных данных (ХГД).
Анализ работ, посвященных различным аспектам разработки ХД и проблемам интеграции разнородных данных, показал, что сегодня для создания ХД разработана теоретическая база, в том числе:
- реляционные модели данных [3-8];
- объектно-ориентированные модели данных [9-13];
- темпоральные модели данных [14-15],
существуют технологии, предназначенные для создания различных ХД, в том числе:
- технология транзакционной организации записи OLTP (Online Transaction Processing); предназначенная для ХД с заранее выбранной и далее не модифицируемой структурой хранения данных [16];
- технология OLAP (Online Analytical Processing), ориентированная на хранение большого объема структурированных данных, относящихся к определенной предметной области [17];
- технология Oracle Streams [18], предназначенная для интеграции данных, обмена данными и сообщениями с помощью механизма Advanced Queuing [19] в однородной среде и гетерогенных средах;
а также разработан ряд методов интеграции разнородных данных, в том числе:
- интеграции на уровне брокеров [20];
- интеграции на уровне интерфейсов (физических, программных и/или пользовательских) [21- 23];
- интеграции на функционально-прикладном и организационном уровнях [24];
- интеграции на функционально-прикладном и организационном уровнях [24];
- интеграции на уровне корпоративных программных приложений [26;27]
- интеграции при помощи Web-сервисов [24-27];
- интеграции на уровне данных [21];
- интеграции на уровне сервисов [26];
- интеграции на уровне пользователя [27],
которые сегодня представлены в соответствующем сегменте рынка программного обеспечения, в виде соответствующих программных инструментов, встроенных, в том числе, такие популярные сегодня системы управления базами данных (СУБД), как Oracle, MS SQL и др.
Однако, несмотря на существенный прогресс в области ХД Российской Федерации и методов интеграции разрозненных данных, как показали результаты анализа ИС и ХД, используемых на МП, на момент начала исследования не было создано единого ХГД МП. Данная ситуация, с нашей точки зрения, обусловлена, в первую очередь, отсутствием методологии структурного синтеза ХГД, под которой мы понимаем совокупность моделей (структурные модели информационных потоков промышленного производства; информационные и онтологические модели источников информации) и технологии разработки ХГД, выбор которых должен базироваться на результатах системного анализа выбранного промышленного производства и соответствующих информационных потоков.
Основной целью исследования является разработка методологии структурного синтеза ХГД и ее апробация на примере МП.
Для достижения цели исследования требуется решить следующие задачи:
1. Проанализировать методы интеграции разнородных данных, технологий хранения и доступа к разнородным данным, их современное состояние, условия сознание единого хранилища разнородных данных.
2. Обосновать гетерогенную природу данных производственных процессов многоэтапного промышленного предприятия, анализ которых позволит решать задачи управления качеством продукции.
3. Разработать универсальную методологию структурного синтеза единого ХГД, провести системный анализ технологических процессов, обосновать применение информационных сущностей «План производства», «Готовая продукция», «Единица продукции», привести их онтологическое описание, разработать логическую структуру единого ХГД и обосновать выбор технологии создания единого ХГД, которая обеспечит реализацию логической структуры ХГД.
4. Разработать и провести тестирование модуля ХГД МП, как части Автоматизированной системы выпуска металлургической продукции (АС ВМП).
Объект исследования
Методы интеграции гетерогенных данных, создаваемых промышленного производства.
Предмет исследования
Информационные и онтологические модели источников данных МП.
Научная новизна:
1. Обоснована сущность ГП МП, которая состоит из двух сущностей <1Ш, ЕП>.
2. Разработана структурная схема сущностей ГП, ПП, ЕП, а также информационная и онтологическая модели источников данных, что обеспечивает возможность структурного синтеза ХГД МП.
3. Разработана научно обоснованная методология структурного синтеза ХГД промышленных предприятий.
Теоретическая значимость диссертационного исследования заключаются в: разработке методологии структурного синтеза единого ХГД МП, включающей в себя структурные модели информационных потоков МП; информационные и онтологические модели источников информации МП; синтезированную логическую структуру ХГД МП и обоснованно выбранную технологию разработки ХГД, которую можно тиражировать на других промышленных предприятиях;
Практическая значимость диссертационного исследования заключаются в: разработке на основе созданной методологии синтеза ХГД МП программного модуля «ХГД МП», как составной части системы выпуска металлургической продукции, и подтверждении его работоспособности результатами тестовых испытаний.
Работа выполнена в рамках договора № 02.G25.31.0055 (проект 2012-218-03-167).
Методология и методы исследования. В работе использованы методы системного анализа и структурного синтеза, информационного и онтологического моделирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Разработанная информационная модель ГП МП позволяет решить задачу структурного синтеза ХГД МП.
2. Разработанная методология структурного синтеза ХГД МП является
универсальной и может быть использована на других промышленных предприятиях.
3. Разработанные программные инструменты управления ХГД МП, обеспечивают его функционирование в составе АСВМП и работоспособность системы в целом
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием математических методов, адекватным задачам исследования, а также результатами тестовых испытаний модуля «ХГД МП».
Внедрение результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационного исследования используются в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 20.08.2021); в АО «Ай-Теко», Москва, Россия (акт об использовании результатов от 01.09.2021); в ООО «Октоника», Екатеринбург, Россия (акт об использовании результатов от 10.09.2021).
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференциях: Международные научно-технические конференции «ДИНАМИКА СИСТЕМ, МЕХАНИЗМОВ И МАШИН» (Омск, 2016, 2017); Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology - USBEREIT (Екатеринбург, 2018- 2020); НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ СЛОЖНЫХ СТРУКТУР (Томск, 2018); International Conference on Applied Mathematics and Computational Science - ICAMCS (Budapest, Hungary, 2018); International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies - FarEastCon (Владивосток, 2019); Межвузовская конференция «ЗАДАЧИ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА, УПРАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ» (Москва, онлайн, 26 октября 2020), III международная студенческая научная конференция «Инновационные механизмы управления цифровой и региональной экономикой» (Москва, онлайн, 17-18 июня 2021).
Личный вклад автора состоит в проведении системного анализ информационных потоков МП, разработке информационных и онтологических моделей ГД МП, логической структуры ХГД МП, методологии структурного синтеза ХГД, участие в разработке методики тестирования модуля ХГД МП и его проведении.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 11 статей опубликованы в рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК РФ и Аттестационным советом УрФУ, включая 9 статей в изданиях, индексируемых в международных цитатно-аналитических базах Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований, содержит 57 рисунка и 24 таблиц. Основной текст работы составляет 131 страницу, приложения составляют 49 страниц. Общий объем - 180 страниц.
В проведенном диссертационном исследовании получены следующие результаты.
1. Проведен анализ проблем интеграции разнородных данных, методов интеграции, технологий хранения и доступа к разнородным данным показал, что их современное состояние потенциально позволяет создавать хранилища разнородных данных, однако, для этого необходима разработка методологии структурного синтеза хранилищ гетерогенных данных.
2. Общей проблемой для каждого многоэтапного промышленного предприятия является гетерогенность данных производственных процессов, для анализа которых и решения задач управления качеством продукции необходимо разместить эти данные в едином ХГД.
3. Разработана универсальная методология структурного синтеза единого ХГД, предусматривающая системный анализ технологических процессов с целью разработки информационных сущностей «План производства», «Готовая продукция», «Единица продукции», их онтологического описания, разработки логической структуры единого ХГД и обоснования выбора технологии разработки единого ХГД, которая обеспечит реализацию логической структуры ХГД.
4. На основе методологии структурного синтеза ХГД разработан модуль «ХГД МП», являющийся неотъемлемой частью АС ВМП, и соответствующие программное обеспечение единого ХГД МП, работоспособность которого подтверждена результатами тестовых испытаний.
Рекомендуется дальнейшее развитие темы в направлении применения предложенной в диссертации методологии структурного синтеза ХГД для разработки единых ХГД промышленных предприятий других отраслей и их использование для повышения качества выпускаемой продукции и оптимизации бизнес-процессов предприятия.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
