НПЗ 4.0

Сегодняшние тенденции развития нефтепереработки в Российской Федерации – это модернизация оборудования и автоматизация технологических процессов, увеличение глубины переработки нефти и выхода светлых нефтепродуктов, импортозамещение, обеспечение требований экологии и безопасности.

Современные нефтеперерабатывающие заводы – это крупные предприятия, выполняющие сложные технологические операции в рамках непрерывного производственного цикла. Управление такими предприятиями невозможно без привлечения автоматизированных информационных систем (ИС), которые обеспечивают управление технологическим оборудованием, диспетчеризацию и контроль, управление отгрузкой нефтепродуктов, управление производственными ресурсами, контроль безопасности предприятия, бизнес-аналитику.

Имеются и определенные проблемы с построением информационных систем на нефтеперерабатывающих предприятиях. Масштаб задачи, а также специфика отрасли нефтепереработки предъявляет новые требования управлению, разработке, внедрению и использованию автоматизированных информационных систем. Информационная система может включать множество разнообразных компонентов, созданных в совершенно разных условиях, в разное время, для решения разных задач.

Таким образом, проблема анализа качества информационных систем управления предприятиями нефтеперерабатывающей промышленности является актуальной задачей.

Основные положения и результаты исследования

1. Ранжированная совокупность характеристик качества информационной системы управления промышленным предприятием (на примере НПЗ), учитывающая требования к его функционированию в современных условиях

Для ранжирования показателей качества информационной системы, учитывающего особенности нефтеперерабатывающего предприятия будем использовать экспертные методы и процедуру анализа иерархий (МАИ). Использование метода анализа иерархий позволяет разделить решение проблемы сравнения на несколько менее масштабных этапов и ориентируется на использование парных сравнений вместо трудноосуществимых численных оценок.

На рисунке 1 приведено дерево целей метода МАИ, включающая цель верхнего уровня, два промежуточных уровня и сравниваемые характеристики качества ИС.

На каждом этапе применения метода анализа иерархий эксперты проводили парное сравнение по шкале предложенной Т. Саати. Одним из преимуществ метода является использование способностей экспертов к парному сравнению двух объектов, вместо гораздо более сложной задачи ранжирования или еще более сложной для человека задачи оценки весовых коэффициентов.

На основе полученной обратно-симметричной матрицы парных сравнений A рассчитывалось и выбиралось максимальное собственное значение и соответствующий ему собственный вектор w матрицы A, такой, что: A

Рисунок 1 - Иерархия целей и характеристик качества ИС управления промышленными предприятиями

После нормирования элементов собственного вектора w и были получены весовые коэффициенты сравниваемых узлов:

Для оценки согласованности матрицы парных сравнений использовались стандартные методы расчета индекса согласованности и отношения согласованности с учетом показателя случайной согласованности:

На последнем этапе для каждой из целей третьего уровня строился расчет весовых коэффициентов для каждой из сравниваемых характеристик. Итоговая оценка была получена путем перемножения весовых коэффициентов каждого узла на весовой коэффициент родительского узла. В таблице 1 приведен пример расчета весовых коэффициентов для верхнего уровня иерархии.

Таблица 1 - Расчетная таблица метода анализа иерархий

По итогам проведенного анализа был получен ранжированный перечень характеристик качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки), включающий такие показатели, как: «Стабильность (надежность)» (v=0.151), «Интегрируемость» (v=0.110), «Покрытие процессов» (v=0.067), «Функциональная полнота» (v=0.128) и др.

2. Классификация компонентов информационной системы управления промышленным предприятием (на примере нефтеперерабатывающей отрасли), включающая классификационные признаки, отражающие специфику сферы нефтепереработки.

Был предложен ряд новых классификационных признаков компонентов ИС, среди которых: уровень управления, стадия технологического процесса, авторство компонента и др.

Фрагмент построенной классификации приведен в таблице 2, где показаны классификационные признаки и возможные варианты значений этих признаков.

Таблица 2 – Классификация компонентов ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ) (фрагмент)

Предложенная классификация закладывает основы для построения модели ИС крупного производственного предприятия и может использоваться для создания и применения

инструментальных методов оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки).

3. Модель информационной системы управления промышленным предприятием (на примере нефтеперерабатывающей отрасли), выполненная с помощью аппарата теории множеств и отражающая виды и уровни компонентов автоматизированной информационной системы, их взаимодействие и их использование в рамках производственных и технологических процессов.

Информационная система управления промышленного предприятия может быть представлена в виде следующей конструкции:

,

Рассмотрим отдельные элементы модели.

X – матрица реализации функций, элементы которой определяют реализацию функций программными компонентами:

Где O_ij-операции процесса BP_i , а SEQ_ij – матрица, определяющая последовательность операций.

Множество U определяет участки предприятия, а множество R – рабочие места.

Множество Roc описывает использование программных компонентов на определенных рабочих местах для исполнения определенных операций производственных или управленческих процессов.

Предложенная модель автоматизированной системы управления предприятия нефтепереработки позволяет отразить ключевые аспекты функционирования ИС, ее роль в деятельности предприятия и может стать основой для разработки инструментальных средств оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ).

4. Методика интегральной оценки качества информационной системы управления промышленным предприятием (на примере нефтеперерабатывающей отрасли) на основе выделенной совокупности показателей качества.

Информационную систему современного крупного предприятия, в том числе, предприятия сферы нефтепереработки, невозможно рассматривать как монолитную. Это скорее среда, включающая разнородные элементы и подверженная постоянным изменениям. Таким образом, задача оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ) предполагает анализ состояния, взаимодействия и динамики ее многочисленных компонентов.

Интегральный показатель качества может рассматриваться как функция показателей, определенных ранее, например:

Где - вектор весовых коэффициентов, полученных экспертным путем, например, с помощью метода анализа иерархий. При этом отдельные показатели качества I_i должны быть приведены к безразмерным величинам.

Сложность заключается в том, что у лица принимающего решения могут возникнуть обоснованные сомнения в данном наборе весовых коэффициентов, а также в форме самой функции.

Таким образом, большее значение имеет профиль важнейших интегральных показателей качества ИС, выделенных ранее:

Где b_j – база для расчета интегрального показателя качества.

Предлагаемая методика интегральной оценки качества автоматизированной системы управления нефтеперерабатывающим предприятием представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Шаги методики оценки интегральных показателей качества ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ)

1.Выделение всех имеющихся на предприятии программных компонентов, привязка их с помощью соответствующих матриц модели к участкам и рабочим местам. При этом фиксируются фирмы-поставщики программного обеспечения.

2. В соответствии с методом анализа сложных систем по критерию функциональной полноты выделяются перечень функций и формируется исходная матрица реализации этих функций.

3.Определяется способ взаимодействия компонентов, в случае, если такое взаимодействие предусмотрено. Это может быть использование единой базы, либо использование сервиса, либо стандарт обмена сообщений, либо выгрузка информации. Наконец, возможен ручной перенос данных.

4.Осуществляется привязка компонентов к операциям технологических и управленческих процессов предприятия.

5.Производится ранжирование процессов с использованием экспертных методов и получение весовых коэффициентов.

6. Осуществляется расчет показателей качества. В таблице 3 приведен фрагмент перечня формул для оценки интегральных показателей качества автоматизированной системы управления.

7. Формируется профиль интегральных показателей качества для ИС управления промышленным предприятием в целом.

Таблица 3 - Интегральные показатели качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки)

На рисунке 3 в виде радиальной диаграммы («Розы ветров») приведен пример профиля интегральных показателей качества автоматизированной информационной системы нефтеперерабатывающего предприятия, прогноз развития системы в соответствии с графиком внедрения и двух альтернативных проектов развития этой системы.

Рисунок 3 - Пример диаграммы показателей качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки)

5. Комплекс визуальных UML-моделей поддержки процессов проектирования и сопровождения информационной системы управления промышленным предприятием (на примере нефтеперерабатывающей отрасли), позволяющий отразить структуру предметной области и процессы анализа, а также стать основой для разработки инструментального средства анализа качества автоматизированной информационной системы управления промышленным предприятием.

В рамках работы был разработан комплекс UML-моделей, включающий:

• диаграмму прецедентов, описывающую процесс оценки качества в самом общем виде. Диаграмма позволяет определить границы решаемой задачи, задать актеров (лиц, вовлеченных в процесс оценки качества ИС), и определить прецеденты (варианты использования) системы оценки качества каждым из этих актеров. Предложенная диаграмма прецедентов приведена на рисунке 4.

• диаграммы деятельности отдельных процессов оценки качества. Среди этих процессов «Учет компонентов информационной системы», «Учет взаимодействия компонентов ИС», «Покрытие бизнес-процессов», «Настройка показателей качества информационной системы», «Мониторинг состояния ИС предприятия», «Анализ качества ИС предприятия на основе рассчитанных показателей», «Прогноз развития информационной системы» и т.д. Полученная совокупность диаграмм раскрывают последовательность операций отдельных процессов оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ). Предложенный набор диаграмм деятельности позволяет реализовать шаги предложенной методики оценки качества ИС

Рисунок 4 - Диаграмма прецедентов процессов оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки)

• диаграммы пакетов, описывающие основные уровни и подсистемы в системе оценки качества ИС, а также их взаимосвязи;

• диаграммы классов, показывающие статический вид системы качества. Диаграмма классов расширяет идеи модели «сущность-связь» и позволяет представить более сложный и гибкий характер отношений между сущностями, а также структуру самих сущностей. Диаграмма классов представляет реализацию теоретико-множественной модели ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки). Общий вид диаграммы классов предметной области оценки качества ИС представлен на рисунке 5.

Рисунок 5 - Диаграмма классов оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере отрасли нефтепереработки)

• диаграммы последовательности для описания взаимодействия между классами для реализации оценки качества ИС.

Предложенный набор UML-диаграмм в совокупности предлагает графическую модель, выполненную с помощью стандартной общепринятой нотации, позволяющую описать процессы оценки качества информационных систем предприятий нефтепереработки и закладывают основу для создания инструментального средства, позволяющего осуществлять автоматизацию процессов оценки качества ИС промышленных предприятий (на примере НПЗ).

6. Инструментальная система «Карта автоматизации», позволяющая описывать текущее состояние информационной системы управления промышленным предприятием (на примере нефтеперерабатывающей отрасли), получать интегральную оценку качества, выделять проблемные компоненты, проводить анализ сценариев развития системы.

Поскольку автоматизированные информационные системы управления крупных промышленных предприятий, в том числе НПЗ, характеризуются значительным масштабом, большим числом разноуровневых компонентов и точек их взаимодействия, инерцией развития и др., можно сделать вывод о необходимости автоматизации задачи учета компонентов автоматизированной системы управления крупного промышленного предприятия. Задача учета имеющихся и планируемых компонентов ИС предприятия становится достаточно сложной, что делает целесообразным разработку программного инструмента, обеспечивающего специалистов по автоматизации и руководителей предприятия своевременной информацией о состоянии автоматизированной системы управления предприятия.

Разработанная программная система «Карта автоматизации» опирается на следующие результаты, полученные в рамках диссертационного исследования: теоретико-множественная модель ИС крупного промышленного предприятия; UML-модель процессов анализа качества информационных систем; методика оценки показателей качества информационных систем крупных промышленных предприятий.

Предложенная программная система позволяет:

• проводить учет внедренных (а также внедряемых и намеченных к внедрению) компонентов автоматизированной информационной системы управления предприятия (подсистемы, программные и аппаратные компоненты, сотрудники, подразделения, бизнес-процессы и т.д.);

• учитывать связь компонентов между собой;

• визуализировать информацию в различных проекциях: географической, организационной, с точки зрения бизнес-процессов и др.

• получать отчеты по имеющимся компонентам информационной системы управления в различных разрезах по заданным условиям;

• рассчитывать показатели качества автоматизации, в том числе степень покрытия бизнес-процессов, уровень интеграции, степень разнородности, уровень импортозамещения, индекс дублирования функций и др.

• выявлять проблемные участки и компоненты;

• исследовать сценарии развития информационной системы управления.

Условием эффективного использования программной системы «Карта автоматизации» на предприятии является своевременное обновление содержимого в соответствии с изменениями, вносимыми в ИС предприятия по ходу его развития и эксплуатации. На рисунке 6 показана схема функций инструментального средства «Карта автоматизации».

Рисунок 6 - Дерево функций ПС «Карта автоматизации»

Разработанное программное обеспечение «Карта автоматизации» может использоваться для решения задач управления и развитии ИС крупных промышленных предприятий, в том числе в сфере нефтепереработки, а также в деятельности консультационных фирм в области автоматизации бизнеса.