УДК 002.52:681.3.016

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ЭНЕРГЕТИКИ, УПРАВЛЯЕМЫХ ОПЕРАТОРОМ

В.И. Павлов, Т.В. Аксенова, В.В. Аксенов

Тамбовский государственный технический университетE�mail: belova_tatyana@bk.ru

При управлении объектами энергетики в работе операторов возникают сложные ситуации неопределенности в показаниях при�боров и измерителей, противоречия в показаниях, выход индицируемых показаний за пределы допустимых значений. Цельстатьи заключается в повышении надежности функционирования автоматизированных объектов энергетики, за счёт примене�ния информационной системы поддержки операторской деятельности, сущность которой заключается в формировании моде�лей изменения фазовых координат и управляющих воздействий объектом, применяемых в системе информационной поддерж�ки. При возникновении неопределенностей в течение сеанса управления объектом предлагается использовать эвристическиеспособности оператора для коррекции определенной части базы данных, а именно базы моделей в случаях, когда операторуудается быстро найти приемлемый для практики способ разрешения возникшей неопределенности. Разработанный подход сни�жает психическую нагрузку оператора, повышает его помехоустойчивость и пропускную способность при возникновении небла�гоприятных психологических факторов. Показана целесообразность оперативной коррекции базы данных информационной си�стемы поддержки принятия решений.

Ключевые слова:Операторская деятельность, неопределенность, модель состояния объекта, модель измерения, коррекция информационнойсистемы.

Состояние вопроса. Статистика свидетельствует,что в области автоматизированного управленияобъектами энергетики на «человеческий фактор»приходится более 50 % всех случаев нарушений, ин�цидентов и аварий. Часто это связано с низким уров�нем профессионализма, а также неумением прини�мать оптимальные решения в сложной критическойобстановке в условиях дефицита времени [1].

Международной эргономической ассоциациейпринято определение человеческого фактора каккомплекса психофизических, психологических ифизиологических особенностей поведения челове�ка в производственной среде, в частности в системеуправления. Имеется обширная литература по от�бору, подготовке и обучению, тренажу, эргономи�ческому обеспечению рабочего места и условийтруда операторов.

Однако «узким местом» в организации автома�тизированного управления объектами энергетикиявляется «пропускная способность» человека�опе�ратора. Наиболее сложными при работе операто�ров являются ситуации, в которых возникают нео�

пределенности в показаниях приборов и измерите�лей, противоречия в показаниях, выход индици�руемых показаний за пределы допустимых значе�ний.

Постановка задачи. Из совокупности человече�ских факторов, влияющих на надежность функци�онирования управляемых объектов, в статье рас�сматриваются пропускная способность (быстро�действие) – количество обслуживаемых заявок вединицу времени, и безошибочность (помехоустой�чивость) – способность оператора принимать пра�вильные решения в условиях действия неблаго�приятных психологических факторов. Под небла�гоприятными психологическими факторами пони�мается несоответствие данных, получаемых по ка�налам связи о функционировании управляемогообъекта энергетики, его штатной модели.

Операторская деятельность рассматривается напримере телеуправления объектом с известной мо�делью изменения фазовых координат [2]:

(1)1 1 1 1 1 1= + + ,k k k k k k kY A Y B U F î

91

Электроэнергетика

где Y, U, – векторы фазовых координат объекта,управлений и случайных составляющих (шумовсостояния) соответственно; А, В, F – матрицы со�стояния, управления и шумов соответственно; k –текущий момент времени. Составляющими векто�ра Y являются все контролируемые фазовые коор�динаты объекта, составляющими вектора U явля�ются те фазовые координаты, по которым осущест�вляется управление.

Измерения фазовых координат объекта осу�ществляются в соответствии с моделью [2]:

(2)

где Z, N – векторы выходных сигналов и шумов из�мерителей; C(k,k) – матрица дискриминацион�ных характеристик измерителей фазовых коорди�нат; mμ, – программа измерений, задаваемая опе�ратором: – назначаемый измеритель, – интер�вал измерений; К – длина серии измерений. Ре�зультаты измерений передаются по каналу переда�чи данных (проводному, беспроводному) для ви�зуализации на средствах отображения информа�ции оператора.

Несоответствие данных о функционированииуправляемого объекта энергетики его штатной мо�дели возникает по независящим от оператора при�чинам: 1) неблагоприятные факторы внешней сре�ды, старение и износ аппаратуры, неадекватнаяреакция объекта на команды управления; 2) иска�жения при передаче данных по каналу из�за воз�действия естественных и искусственных помех.

Цель статьи – повышение надежности функци�онирования автоматизированных объектов энерге�тики путем повышения помехоустойчивости ипропускной способности операторов.

Основная часть. Для повышения помехоустой�чивости и пропускной способности операторов ши�роко используется информационная поддержкаоператорской деятельности, как правило, в видеэкспертных систем (ЭС) [3, 4]. Сущность разраба�тываемого подхода заключается в формировании сединых позиций концептуальной модели управле�ния объектом в сознании оператора, а также моде�лей изменения фазовых координат и управляющихвоздействий объектом, применяемых в системе ин�формационной поддержки (СИП). При этом привозникновении неопределенностей в течение сеан�са управления объектом предлагается использо�вать эвристические способности оператора для кор�рекции определенной части базы данных, а именнобазы моделей в случаях, когда оператору удаетсяоперативно найти приемлемый для практики спо�соб разрешения возникшей неопределенности.

При разработке процедуры принятия решенияоператором по коррекции базы данных СИПнеобходимо учитывать следующие особенности:• СИП находится в состоянии непрерывного

функционирования с изменяющимися внешни�ми и внутренними факторами влияния;

• возможно возникновение неопределенности впервичных измерениях из�за воздействия по�

мех естественного и искусственного происхож�дения;

• решение принимается в условиях дефицитавремени;

• при изменении условий функционирования(внешних, внутренних) и отсутствии реакцииоператора вариант решения генерируется авто�матически;

• алгоритмы формирования решения оператороми СИП должны быть адекватными друг другу;

• оператор имеет возможность изменять предпоч�тения (иерархию критериев), неоднократнопользоваться подсказкой, корректировать опре�деленную часть базы данных – базу моделей;

• решаемая задача может иметь уникальный, но�вый характер, когда отсутствуют статистичес�кие данные, позволяющие обосновать иерар�хию между критериями;

• на момент принятия решения может отсутство�вать информация, позволяющая объективнооценить возможные последствия выбора тогоили иного варианта решения;

• оператор должен принимать решения по кор�ректировке определенной части базы данных вреальном масштабе времени.Учет данных особенностей достигается разработ�

кой соответствующего алгоритмического обеспече�ния СИП и возможен, когда модель изменения фа�зовых координат управляемого объекта имеет вид:

(3)

где gY – смещения в векторе фазовых координат,вызванные воздействием одного или совокупностинеблагоприятных факторов, приводящие к возни�кновению неопределенности при управленииобъектом. Остальные обозначения аналогичны (1).

Модель измерений фазовых координат объектапри реализации разрабатываемого подхода пред�ставлена в виде:

(4)

где ZП – смещения в измерениях, вызванные воз�действием искусственных помех в канале переда�чи данных и приводящие к неопределенности.Остальные обозначения аналогичны (2).

Модели (3) и (4) за счет введения аддитивныхсоставляющих gY, ZП являются интуитивно понят�ными оператору. Оператор при необходимости спо�собен оперативно за счет эвристических способно�стей внести изменения не только в управлениеобъектом U, но и в программу измерений , сконтролем результатов.

Модель измерений (4) при реализации в СИП мо�жет быть детализирована следующим образом [5].

Неравноточные измерения

Вектор фазовых координат объекта наблюдает�ся в условиях, когда шумы измерения изменяют�ся. Уравнение измерения будет иметь вид:

(5), 1, ,k k k k kZ C Y N k K

Ï ,( , ) , 1, ,k k k k k k kZ C ì Y N Z k K

1 1 1 1 1 1 , 1 ,k k k k k k k Y kY A Y B U F g

( ) , , ,k k k k k kZ C ì , Y N k 1 K

Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 323. № 4

92

где k0 – скалярная случайная величина, опреде�ляющая текущую точность измерений. Матрицаинтенсивностей шумов измерения в каждый мо�мент времени принимает значение k

2Qk, где Q –матрица интенсивностей шумов в штатном режи�ме. Возможны три способа задания случайной ве�личины k:1. k[0,] – непрерывная случайная величина.

Матрица интенсивностей шумов измеренийk

2Qk принимает бесконечное множество значе�ний, а сами шумы принадлежат бесконечномумножеству гауссовских распределений, выборкоторых осуществляется случайных образом.

2. k=k(s), s=1,2…S. В этом случае шумы измере�

ний принадлежат конечному множеству гаус�совских распределений, каждое из которыхимеет матрицу интенсивностей k

(s)2Qk, s=1,S

–номер. Можно считать, что при каждом кон�кретном k

(s) объект управления находится в s�мсостоянии и уравнение измерений имеет вид:

(6)

или в эквивалентной форме

(7)

где s – номер состояния. Переход от одного со�стояния к другому (смена индекса) происходитв пределах интервала наблюдений.

3. k=i, i=1,2; 1=1, 2>>1. При k=1 осущест�вляется режим измерений с нормальной точно�стью. При k=2 – режим аномальных измере�ний.

Случайные пропадания сигнала

Уравнение измерения, учитывающее пропада�ния сигнала, имеет вид

(8)

где k – скалярная случайная величина, прини�мающая два значения – ноль и единица. Эволюцияk во времени может быть представлена в виде од�нократных скачков, происходящих в случайныемоменты времени, что соответствует естественнымусловиям функционирования, а также в виде мар�ковских цепей, частные случаи которых соответ�ствуют различным сочетаниям неблагоприятныхфакторов, вызывающим неопределенности.

Ложные измерения

Уравнение измерения имеет вид (8), в котором

(9)

где – нормирующая константа. Эквивалентнаяформа имеет вид:

(10)

Данная модель соответствует часто встречаю�щемуся при дистанционном управлении объекта�ми, но мало изученному случаю плавного измене�ния свойств канала измерения из�за действия ис�кусственных помех в канале передачи данных.Особенностью данного случая является то, что для

измерителей следящего типа при плавном измене�нии их свойств широко распространенные способыобнаружения отказов на основе фильтра Калманане эффективны.

Фрагмент структурной схемы СИП операторскойдеятельности в условиях неопределенности, постро�енной на базе типовой ЭС, показан на рисунке.

Рисунок. Схема информационной поддержки операторскойдеятельности в условиях неопределенности (вари�ант). ОУ – объект управления; КПД – канал переда�чи данных; БВО – блок визуализации обстановки;О – оператор; Э – эксперт; МПЗ – механизм прио�бретения знаний; БД, БМ, БЗ – базы данных, моде�лей, знаний соответственно; МВ – машина вывода;МО – машина объяснения; ИИ – интеллектуальныйинтерфейс. Стрелками показаны направления пере�дачи информации

Возможная коррекция БМ оператором заклю�чается в замене штатных моделей (1) и (2) на моде�ли (3) и (4) соответственно. Реакция СИП на кор�рекцию будет заключаться в следующем. При за�мене только модели (1) на (3) в уравнениях (5)–(10)будет использоваться новое значение Y из (3). Призамене только модели (2) на (4) далее используемы�ми будут измерения (9), (10). Одновременная заме�на моделей (1) и (2) на модели (3) и (4) не рекомен�дуется, так как это затруднит выяснение причинвозникновения неопределенности по вине объектауправления или канала передачи данных.

Заключение. В представленном варианте под�держки операторской деятельности рассмотреныслучаи аддитивных негативных составляющих вмоделях состояния объекта управления и измере�ния его фазовых координат, приводящие к возни�кновению неопределенности. Аддитивные соста�вляющие в уравнениях измерений (5)–(10), учи�тываемые в алгоритмическом обеспечении СИП,наглядно проявляются при визуализации измере�ний на средствах отображения информации опе�ратора. Это наиболее распространенные на прак�тике случаи, с которыми сталкиваются операторыпри дистанционном управлении объектами энер�гетики. В таких случаях оператор должен быстрораспознать причину неопределенности, а при не�возможности распознавания воспользоваться под�сказкой СИП. Такой подход снижает психиче�скую нагрузку оператора, повышает его помехоу�стойчивость и пропускную способность при возни�кновении неблагоприятных психологическихфакторов. Для достижения требуемой помехоу�стойчивости и пропускной способности операторапри возникновении мультипликативных соста�вляющих в матрице состояния объекта А (3) и вматрице дискриминационных характеристик из�мерителей фазовых координат C(k,k) (4) в разра�ботанном подходе необходимо дополнительно

ÎÓ

ÊÏÄ

БÂÎ Î

БÄÌÏЗ

Ý

ÌÂ

ÌÎ ИИÑИÏ

БÌ БЗ

( ) ( ) , 1, .s sk k k k kZ C Y N k K

11 , ,k k kt t

, 1, ,k k k k kZ C Y N k K

( ) ( ) , 1, ,s sk k k kZ C Y N k K

( ) ( ) ,s sk k k k kZ C Y N

Электроэнергетика

93

обеспечить распознавание причины возникнове�ния неопределенности. Такое распознавание, ин�туитивно понятное операторам и технически реа�лизуемое в СИП, возможно осуществить с помо�

щью изучения и внедрения индикаторов сопут�ствующих признаков [6].

Статья подготовлена при поддержке РФФИ, грант№ 12–08–00352�а.

Известия Томского политехнического университета. 2013. Т. 323. № 4

94

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1. Контузоров Ф.Ф., Петров Д.В. Классификация и краткая ха�

рактеристика чрезвычайных ситуаций. Основы защиты насе�ления и территорий от ЧС техногенного, природного и эколо�гического характера. – СПб.: Изд�во СПбГУИТМО, 2008. –84 с.

2. Казаков И.Е., Артемьев В.М., Бухалев В.А. Анализ системслучайной структуры. – М.: Наука, 1993. – 272 с.

3. Кунаев М.А. Оперативная диагностика энергетических уста�новок // Атомная стратегия XXI век. – 2010. – № 3. –С. 14–16.

4. Артемова С.В., Муромцев Д.Ю., Ушанев С.Б., Чернышов Н.Г.Применение экспертной системы для оптимального управле�

ния технологическими процессами // Информационные тех�нологии в проектировании и производстве. – 1997. – № 1. –С. 12–16.

5. Селиванова З.М., Хоруб Х.Х., Ибрахим И.А. Информацион�ные технологии создания интеллектуальных информационно�измерительных систем контроля // Автоматизация и совре�менные технологии. – 2009. – № 12. – С. 32–34.

6. Павлов В.И. Скорейшее обнаружение изменения свойств слу�чайных процессов с использованием сопутствующих призна�ков // Радиотехника. – 2009. – № 2. – С. 15–19.

Поступила 15.07.2013 г.

REFERENCES1. Kontuzorov F.F., Petrov D.V. Klassifikatsiya i kratkaya kharak�

teristika chrezvychaynykh situatsiy. Osnovy zashchity naseleniyai territoriy ot ChS tekhnogennogo, prirodnogo i ekologicheskogokharaktera (Classification and brief characteristic of emergenci�es. Bases of protecting population and territories against techno�genic, natural and ecological emergencies). Saint Petersburg,SPbGUITMO, 2008. 84 p.

2. Kazakov I.E., Artemyev V.M., Bukhalev V.A. Analiz sistemsluchaynoy struktury (Analysis of random structure systems).Moscow, Nauka, 1993. 272 p.

3. Kunaev M.A. Atomnaya strategiya XXI vek, 2010. 3, pp. 14–16.4. Artemova S.V., Muromtsev D.Yu., Ushanev S.B., Cher�

nyshov N.G. Informatsionnye tekhnologii v proektirovanii i proiz�vodstve, 1997. 1, pp. 12–16.

5. Selivanova Z.M., Horub H.H., Ibrahim I.A. Avtomatizatsiya i sov�remennye tekhnologii, 2009. 12, pp. 32–34.

6. Pavlov V.I. Radiotekhnika, 2009. 2, pp. 15–19.

UDC 002.52:681.3.016

INCREASE OF RELIABILITY OF OPERATOR/CONTROLLED POWER OBJECT FUNCTIONING

V.I. Pavlov, T.V. Aksenova, V.V. Aksenov

Tambov State Technical University

When controlling power objects operators face difficult situations of uncertainty and contradictions in instrument readings, release ofdisplayed indications out of admissible value limit. The purpose of the paper consists in increasing reliability of automated power objectsfunctioning applying the information system of operator activity support. The authors have developed the approach to operator activi�ty information support in uncertainty. The matter of the approach consists in forming the models of changing phase coordinates and thecontrol action by the object applied in the information support system. When indefiniteness occur during the object control the opera�tor heuristic abilities are offered to be used to correct a certain part of a database, the model bases in cases when the operator managesto find quickly the way to solve the uncertainty accepted for practice. The approach developed reduces the operator mental load, incre�ases his noise stability and capacity at occurrence of adverse psychological factors. The paper introduces the appropriateness of on�linecorrection of a database of information decision�support system.

Key words:Operator activity, uncertainty, object state model, measurement model, correction of the information system.