Методы системного инжиниринга для поиска технических решений при создании программно-аппаратного комплекса для моделирования и автоматического строительства объектов энергетики в районах Крайнего Севера | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 5 февраля, печатный экземпляр отправим 9 февраля.

Опубликовать статью в журнале

Авторы: ,

Рубрика: Информационные технологии

Опубликовано в Молодой учёный №49 (391) декабрь 2021 г.

Дата публикации: 02.12.2021

Статья просмотрена: 15 раз

Библиографическое описание:

Апросин, А. И. Методы системного инжиниринга для поиска технических решений при создании программно-аппаратного комплекса для моделирования и автоматического строительства объектов энергетики в районах Крайнего Севера / А. И. Апросин, Н. В. Дудин. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 49 (391). — С. 5-7. — URL: https://moluch.ru/archive/391/86275/ (дата обращения: 22.01.2022).



В XXI веке произошли значимые события, которые изменили множество устоявшихся представлений о том, как необходимо вести деятельность хозяйствующего субъекта. Повсеместная цифровизация рабочих мест, сбор информации с датчиков, так называемый IoT или интернет вещей, внедрение продвинутых АСУ ТП позволили создавать роботизированные комплексы, способные без участия в производственном процессе человека, выполняющие функцию по созданию товаров. Создание столь сложных комплексом было бы невозможно без кратного снижения стоимости базовых ЭРИ, таких, например, как целые семейства микроконтроллеров производителей: Dallas Semiconductor, Philips, Infineon (Siemens), Futjitsu, Mitsubishi Electronics, Temic, National Semoconductor, Oki Semiconductor и др. Тех. процесс создания микропроцессорной техники уже перешел планку в 5 нм, тогда как более старые МК считаются устаревшими для современных ПК. Но для создания роботизированных комплексов, поточных линий и много другого АСУ ТП зачастую требуются не самые высокие тактовые частоты и количество параллельных поток, требуется надежность работы в различных средах (повышенная радиационная стойкость, возможность работы при низких/высоких температурах и др.). Требуется большая библиотека готовых, отработанных программных и схемных решений. За последние десятки лет активного внедрения микропроцессорной техники был наработан огромный опыт взаимодействия с данными системами, проведена наработка на отказ, данные, полученные в ходе эксплуатации, позволили применить методы статистического анализа. Надежность данных систем уже не является теоретической, а подтверждена на практике. И если в России еще в начале нашего века достаточно скептически относились к переходу с релейной защиты и автоматики в высоковольтных сетях, то уже сегодня, механические релейные защиты считаются давно устаревшими и активно заменяются на микропроцессорные защиты.

Основная проблема строительства объектов в труднодоступных районах или районах с неблагоприятными условиями работы является стоимость проводимых изысканий, работ и последующая эксплуатация. В районах Крайнего Севера существует понятие Северный завоз, это целый комплекс мероприятий по обеспечению жизнедеятельности людей в данных регионах, это и доставка топлива, товаров народного потребления, продуктов и многое другое в преддверии зимы. Кроме того, существует множество других факторов, которые не позволяют оперативно что-либо доставить в требуемое место строительства, например в период таяния снегов размывает трассу, или наличие зимника и отсутствие прямой дороги в летний период через водные преграды. Всё это в комплексе требует очень тщательной проработки проекта строительства, логистики и последующего строительства. Ошибка на каждом из этих этапов вырастает в очень большие проблемы в будущем. Невозможно оперативно изменить какое-то неправильно подобранное оборудование, или невозможно допоставить неправильно рассчитанное количество кабеля нужной марки и многое другое. Цена ошибки человека на объекте строительства также приводит порой к кратному удорожанию работ. Поломка 100 т крана для возведения ферм ГОК выливается в длительный простой стройки ввиду того, что в зимний период доставить такую специальную технику просто не представляется возможным даже за очень большие деньги. Проектирование и строительство в данных районах можно в какой-то степени сравнить со строительством лунной базы, всё будет сильно привязано от миссии к миссии, нет физической возможности что-то достать на месте здесь и сейчас.

В свете данной проблемы возникла идея создать роботизированный комплекс по строительству объектов различного назначения в экстремальных условиях окружающей среды. В данной статье представлен концепт данной технологии и описаны перспективы возможного применения.

Данная сложная система состоит из 3-х подсистем различной степени сложности, а именно

Моделирующий комплекс (МК), задача которого выполнить проектирование, или возможность портирования проекта со сторонних CAD-систем, далее оцифровка данного проекта, то есть создание полноценных моделей всех составных частей данного проекта, это и сопромат, и термодинамика, степень моделирования задается разработчиком. Далее модель объекта размещается в моделирующем комплексе, где воссоздаются различные условия окружающей среды с определенной заданной точностью модели, наподобие климатических камер для проверки аппаратуры. Весь проект декомпозируется на шаги, каждый шаг просчитывается в данной среде, например выравнивание участка строительства по уровню, надо учитывать плотность и сыпучесть грунтов, температуру земли и многое другое, чтобы беспилотный бульдозер не засыпало в процессе работы или он не увяз в почве. Установка какой-то металлической конструкции на другую конструкцию, работы с грузоподъемным механизмом беспилотного крана, важны прочностные характеристики балок и оснований, сила бокового ветра и прочие условия. Получив успешный сценарий данного шага- переход на следующий этап строительства. То есть в итоге создается процедурный план работ на объекте с применением беспилотной техники. Данный сценарий возможно разбивать на параллельные работы при необходимости, разбивать зоны строительства на подзоны и прочее. Всё зависит от количества техники и ресурсов на объекте. Этот сценарий будет выступать эталонным для системы строительства на объекте (АСУ РК).

Данный МК является программной частью данной системы.

Система связи , здесь будет принятая система связи МК с АСУ РК, резервные системы и прочее. То есть принятый интерфейс взаимодействия программного комплекса и его аппаратной части.

АСУ РК (автоматизированная система управления роботизированным комплексом), по сути, это комплекс, состоящий из: ЦОД, беспилотная техника различного назначения, вспомогательные системы (система питания, система складского учета материалов и прочее).

а) ЦОД-ядро, вокруг которого строится вся АСУ. В него заливается эталонный проектный сценарий выполнения строительства. В ЦОД стекается вся информация со стройплощадки, и он выдает управляющие воздействия на все подсистемы РК.

б) Беспилотная техника:

— наблюдательная. Для мониторинга строительства требуется иметь привязки к местности, разбитые координатные сетки, 3d сканирование площадки, датчики света, температуры, ветра и т. д. Вся эта информация должна собираться и передаваться в ЦОД для анализа и принятия решения.

— исполнительная. Краны, манипуляторы, сварка, крепеж и многие другие, выполняющие однотипные операция.

в) вспомогательная техника (подсистемы). Как минимум требуется иметь автоматическую систему складского хозяйства, чтобы АСУ могла находить требуемые ресурсы и использовать их. Система питания комплексом также является важной частью комплекса.

Главная особенность данной системы является её гибкость. В случае возникновения нештатной ситуации мы можем ситуация промоделировать в МК, сформировать новую ветку общего сценария и оперативно передать изменения на удаленный объект. Наличие множества простых беспилотных аппаратов позволяет обеспечить выполнение самых разнообразных сценариев. Выход из строя одно из них, не приведет к катастрофическим проблемам выполнения проекта. Можно завезти некоторый запас каждого типа техники. Отсутствие людей на площадке сводит к нулю работу по обеспечению безопасности персонала. Отсутствие инфраструктуры для работы множества людей значительно удешевляет и ускоряет процесс строительства. Кроме того, сегодня любая крупная стройка представляет из себя работу множество подрядчиков на объектах, которые, как правило, очень плохо скоординированы друг с другом, каждый подрядчик везет практически все что ему требуется для выполнения работ на место строительства. Кооперация на местах минимальная. В результате на месте существует порой кратное превышение необходимой техники, а это влечет увеличение сметы строительства. Плохая кооперация также ведет зачастую к срыву сроков, вследствие, например, выхода из строя их техники, но которая имеется в наличии у другой подрядной организации. Внедрение же роботизированных комплексов позволит учитывать суммарные мощности, имеющиеся на стройке, позволит использовать технику более рационально, меняя текущие планы в случае нештатных ситуаций в режиме реального времени. Объединить все комплексы в единый реестр техники и материалов с назначенными текущими приоритетами позволит оперативно управлять рисками, которые срабатывают при строительстве объектов.

В заключении хотелось бы отметить, что в разработку технологии и создание первых комплексов требуются значительные вложения. Отработав в сложных условиях всю механику работ масштабировать данную технологию в другие отрасли, не представляет больших сложностей. В условиях нашей страны данная технология позволила бы существенно увеличить темпы освоения труднодоступных ресурсных районов, снизить нагрузку на людские ресурсы, сосредоточив их на более наукоемких направлениях.

Литература:

  1. МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ: КРАТКИЙ ОБЗОР. — Текст: электронный // Мой робот: [сайт]. — URL: https://myrobot.ru/stepbystep/mc_meet.php (дата обращения: 07.11.2021).
  2. Выбираем микроконтроллер вместе. — Текст: электронный // Хабр: [сайт]. — URL: https://habr.com/ru/post/122030/ (дата обращения: 07.11.2021).
  3. Микроконтроллеры компании STMicroelectronics с ядром ARM. — Текст: электронный // Рынок микроэлектроники: [сайт]. — URL: http://www.compitech.ru/html.cgi/arhiv/06_03/stat_128.htm (дата обращения: 07.11.2021).
  4. Что такое интернет вещей? — Текст: электронный // РБК: [сайт]. — URL: https://trends.rbc.ru/trends/industry/5db96f769a7947561444f118 (дата обращения: 07.11.2021).
Основные термины (генерируются автоматически): Беспилотная техника, комплекс, АС, микропроцессорная техника, моделирующий комплекс, окружающая среда, работа, различное назначение, район, роботизированный комплекс, система, система питания, строительство.


Задать вопрос