ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 681.518
© Я.С. Коровин, А.И. Каляев, М.В. Хисамутдинов, 2015
Децентрализованный подход к организации сетецентрического управления нефтяным месторождением
1
Я.С. Коровин, к.т.н.
(НИИ многопроцессорных систем
Южного федерального университета),
А.И. Каляев, к.т.н.,
М.В. Хисамутдинов, к.т.н,
(ООО «Нейросетевые технологии»)
Адреса для связи: korovin_yakov@mail.ru, anatoly@kalyaev.net, l-v-p@yandex.ru
Ключевые слова: сетецентрическая система, информационно-управляющая система (ИУС), мультиагентная система, децентрализованная система, сенсоры.
The decentralized approach to network-centric management of oilfield
I.S. Korovin (Scientific Research Institute of Multiprocessor
Computing Systems, RF, Taganrog),
A.I. Kalyaev, M.V. Khisamutdinov
(Neural Network Technologies Ltd., RF, Taganrog)
E-mail: korovin_yakov@mail.ru, anatoly@kalyaev.net, l-v-p@yandex.ru
Key words: network-centric system, information control system, multiagent system, decentralized system, sensors.
The paper describes the problem of increasing the efficiency of the oilfield management by combining real-time information control systems for different purposes into a single network. To do this, the authors have developed a novel technology in order to organize such systems on the basis of the techniques of self-organization and adaptive interaction characterized by centralization of control functions and data processing, and provides the transition to dynamically changing network architecture. As the basis of the technology authors have proposed to apply a multiagent approach. Such an approach allows to produce systems, based on a wide variety of geographically distributed computational nodes of different performance, having direct communication with each other.
В современных условиях развития отечественной нефтяной промышленности все большее значение приобретает развитие информационных технологий. При «информационном вале» оперативных данных увеличивается число сенсоров и датчиков, усиливается взаимодействие между различными производственными процессами, становится все более критичной скорость принятия решений [1-3]. В связи с этим система коммуникаций на нефтяном месторождения становится все более масштабной и сложной. В рамках концепции «Цифровое месторождение» в последние несколько лет началась активная работа по организации единых систем управления производственными процессами на нефтепромысле. Создаются первые управляющие системы, объединяющие в единую структуру технологическое оборудование различного назначения. Основным элементом таких систем являются телекоммуникационные сети обмена данными, позволяющие реализовать единое централизованное взаимодействие источников информации и лиц, принимающих решения. Именно благодаря центральному месту сети подобные системы были названы «сетецентрическими» [4].
Таким образом, сетецентрическое управление месторождением - это концепция, ориентированная на повышение эффективности функционирования нефтепромысла за счет объединения информационно-управляющих систем реального времени различного назначения в единую сеть. В статье рассмотрены новый подход к организации обработки информации в сетецентрической ин-
формационно-управляющей системе (СИУС), а также особенности построения СИУС.
Современные сетецентрические системы
Как было отмечено, главной особенностью сетецент-рического подхода является наличие общей сети, объединяющей все информационно-управляющие системы, обеспечивающие функционирование месторождения.
Приведем обобщенный перечень элементов СИУС.
• Информационно-телекоммуникационная инфраструктура, обеспечивающая обмен всеми видами и потоками информации, курсирующей в системе, выбор соответствующих телекоммуникационных каналов и интерфейсов.
• Совокупность источников данных: сенсоров и датчиков разного масштаба.
• Вычислительная инфраструктура, предназначенная для обработки информации в соответствии с требованиями потребителей, а также для представления результатов обработки, обеспечивающего адекватную оценку ситуации и визуализацию.
• Управляющая инфраструктура, позволяющая контролировать и поддерживать работоспособность системы и ее отдельных элементов.
• Объекты управления - совокупность объектов, потребляющих информацию (необходимо отметить, что эти объекты могут также отправлять информацию в СИУС, объединяя в себе как объект управления, так и источник информации).
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты 15-37-20821 мол_а_вед, 13-08-01172 А, 14-08-00776 А, а также Министерства образования и науки РФ (проект в рамках базовой части государственного задания)
• Лица, принимающие решения, (ЛПР), основной задачей которых является формирование на основании полученной информации управляющих действий.
Схема взаимодействия элементов в СИУС представлена на рис. 1.
В процессе работы СИУС получает информацию от различных источников, проводит ее обработку и передачу лицам, принимающим решения, и объектам управления. В случае необходимости СИУС осуществляет передачу управляющих воздействий от лиц, принимающих решения, к объектам управления и позволяет организовать прямое взаимодействие между ними [5].
Как следует из рис. 1, все функции СИУС реализуются через управляющую инфраструктуру. При этом несложно заметить, что централизация управляющей инфраструктуры приводит к необходимости организации высокопроизводительных каналов связи со всеми элементами системы. Схожие выводы могут быть сделаны и о централизованной организации вычислительной инфраструктуры: для того, чтобы передать данные от источника информации на объект управления, нужно удаленно обработать их, при этом физическое расстояние между источником информации и объектом управления может быть существенно меньше, чем расстояние между ними и ближайшим центром обработки данных [6].
Указанные особенности современных СИУС существенно повышают нагрузку на каналы передачи данных, что в свою очередь может привести к задержкам в их передаче, снижающим эффективность сетецентриче-ского управления. Кроме того, следует отметить, что для безотказной работы систем, построенных по такому принципу, необходимо закладывать существенные резервы во все централизованные элементы системы, так как отказ таких элементов приведет к частичной или даже полной ее неработоспособности.
Также к проблемам СИУС, работающих по централизованному принципу, следует отнести плохую масштабируемость: существенное увеличение числа источников информации и объектов управления, повышение точности и сложности процессов обработки информации вы-зывут увеличение нагрузки на вычислительную и коммуникационную инфраструктуры, что снизит быстродействие системы и ее эффективность [7].
Таким образом, несмотря на высокий потенциал применения сетецентрического подхода для управления месторождением, централизованная организация СИУС снижает эффективность управления.
Имеющийся у авторов опыт в области построения децентрализованных информационно-управляющих систем показывает, что принципы самоорганизации могут применяться и в СИУС. Если отказаться от централизованной схемы организации и взять за основу коллективное взаимодействие и теорию мультиагентных систем, то можно устранить недостатки СИУС и существенно повысить их эффективность.
Рассмотрим подробнее предлагаемый подход.
Децентрализованная СИУС
Для решения приведенных выше проблем современных СИУС авторами статьи была создана новая технология организации таких систем на базе методов самоорганизации и адаптивного взаимодействия. Технология предполагает отказ от описанной схемы, характеризующейся централизацией функций управления и обработки данных, и переход к динамически изменяющейся сетевой архитектуре, ее географически и логически распределенные элементы будут реализовывать сбор и обработку информации. Главное требование к этой технологии - распределение функций диспетчирования вычислений между отдельными вычислительными узлами системы, которые должны самостоятельно распределять задачи, осуществлять мониторинг производительности вычислительных ресурсов, передавать данные и т.д. Такой подход позволит строить систему на базе широкого спектра географически распределенных вычислительных узлов разной производительности, осуществляющих прямое взаимодействие друг с другом.
Для реализации такого подхода важным требованием к разрабатываемой технологии становится одноранговость вычислительных узлов, участвующих в диспетчировании работы системы: не должно быть узлов, контролирующих другие. Именно эта особенность дает возможность существенно повысить масштабируемость и отказоустойчивость системы, так как добавление в систему новых узлов и выход из состава системы существующих не приведет к потере управления системой. При этом незадействованные в решении задач узлы находятся в резерве, что позволяет в случае отказа какого-либо узла оперативно заменить его на другой и сохранить работоспособность системы.
Рис. 1. Схема взаимодействия элементов в СИУС
Рис. 2. Схема организации децентрализованной СИУС
Для удовлетворения указанных требований авторами предложен децентрализованный подход к организации СИУС, предполагающий построение системы на базе активных элементов: каждый вычислительный узел должен иметь возможность самостоятельно инициировать взаимодействие. Для этого рекомендуется на каждом вычислительном узле системы размещать специализированное программное обеспечение, представляющее собой узел в СИУС - агента. Тогда все задачи СИУС будут решаться путем взаимодействия множества агентов - различных элементов системы. Именно такая мультиагентная структура управления работой системы позволит отказаться от централизованного управления и обработки данных, более того, подобный подход отлично сочетается с сетецентрическим подходом, так как обеспечивает прямую связь одноранговых элементов системы [8].
При этом проблемой становится процесс организации взаимодействия узлов с операторами системы в условиях динамически изменяющегося ее состава. Для решения данной проблемы в состав системы пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.