ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ И ИНСТРУМЕНТЫ СОЗДАНИЯ

ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РЕШЕНИЯ

БОЛЬШИХ ЗАДАЧ В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭНЕРГЕТИКИ1

Л.В. Массель, А.В. Черноусов

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН является признанным лидером в обла­

сти системных исследований в энергетике. Основные научные направления ИСЭМ СО РАН : 1) теория созда­ ния энергетических систем, комплексов и установок и управления ими; 2) научные основы и механизмы реализа­ ции энергетической политики России и ее регионов. В рамках этих направлений выполняются исследования систем энергетики (электроэнергетических, газо-, нефте-, нефтепродукто-снабжения, теплосиловых); энергетической без­ опасности России; региональных проблем энергетики; взаимосвязей энергетики и экономики; перспективных энер­ гетических источников и систем; исследования в области прикладной математики и информатики [1].

Объектами исследований в энергетике являются отраслевые (функциональные) энергетические системы:

электро-, газо-, нефте- и угле- и теплоснабжения, а также объединяющая их общеэнергетическая система – топлив­ но-энергетический комплекс (ТЭК) страны. В последнее время в России специфическими объектами исследований стали рынки топлива и энергии разного территориального уровня. Особое место в комплексных исследованиях энергетики занимает решение сложных комплексных межотраслевых и междисциплинарных проблем, в том числе глобальных.

С точки зрения управления развитием и функционированием системы энергетики (СЭ) являются сложны­ ми физико-техническими и территориально-распределенными системами (протяженность электроэнергетических, нефте- и газоснабжающих систем достигает десятков и сотен тысяч километров). Помимо территориальной распре­ деленности и сложности, СЭ, входящим в ТЭК, присущ ряд общих свойств, среди которых выделяют: непрерыв­ ность и инерционность развития; непрерывность функционирования и взаимосвязь режимов работы элементов си­ стемы; многоцелевой характер и практическую невозможность полного отказа системы; неравномерность процес­ сов потребления продукции; подверженность крупномасштабным внешним возмущениям (преднамеренным и не­ преднамеренным; возможность каскадного развития аварий; зависимость пропускных способностей связей (линий передач, трубопроводов) от их местонахождения, режимов работы и состава работающего оборудования; активное участие человека в процессе управления; неполноту (недостаточную достоверность) информации о параметрах и режимах работы системы; иерархичность. Перечисленные факторы позволяют отнести задачи, возникающие в ис­ следованиях энергетики, к классу больших задач.

Основными инструментами исследований энергетики являются математическое моделирование и вычисли­ тельный эксперимент. Исследования, проводимые в институте, тесно связаны и имеют общую информационную базу; для исследований ТЭК требуются агрегированные данные, которые, как правило, являются обобщением ре­ зультатов исследований отраслевых систем; результаты исследований направлений развития ТЭК должны учиты­ ваться при исследованиях развития отраслевых систем энергетики.

За всю историю института (около 50 лет) создано большое количество программных продуктов и баз дан­ ных; около двадцати программных комплексов могут быть отнесены к промышленным и коммерческим продуктам и применяются не только в институте, но и в других научных и энергетических организациях России и за рубежом.

В то же время имеется ряд причин, заставляющих пересмотреть практику использования этих программных про­ дуктов. Институт на протяжении всей своей истории осуществляет стратегию последовательного применения современных информационных технологий. В настоящее время актуальными являются два фактора: 1) Internet ста­ новится не только информационной средой, но и средой программирования, как с точки зрения разработки, так и с точки зрения использования программных продуктов; 2) в области создания программного обеспечения, помимо перехода от монолитных приложений к компонентным, наблюдается тенденция создания не просто распределен­ ных программных комплексов, а Web-приложений – программных комплексов, к которым возможен доступ через Internet.

Развитие этих тенденций приводит к переходу ряда программных продуктов института в категорию уна­ следованного программного обеспечения (ПО). Под унаследованным ПО (legacy systems) понимают системы или комплексы, которые перестали соответствовать изменившимся со временем потребностям, но, тем не менее, про­ должают эксплуатироваться ввиду значительных финансовых, организационных, технических и прочих затрудне­ ний, возникающих при попытке их замены. Унаследованные системы, как правило, базируются на отживших тех­ Исследования выполнены при частичной поддержке грантов РФФИ № 07-07-00265, № 08-07-00172, РГНФ № 07-02- нологиях, архитектурах и платформах, а также используют морально устаревшее программное и информационное обеспечение. В то же время уникальность большинства таких программных продуктов, реализующих оригиналь­ ные авторские методы, методики и алгоритмы, требуют их сохранения и адаптации для использования на совре­ менных платформах.

Учитывая специфику исследований в энергетике, актуальность сохранения и адаптации уникального про­ граммного обеспечения и современные тенденции развития информационных технологий, ИТ-специалистами института был предложен проект создания ИТ-инфраструктуры научных исследований [2-4]. Под ИТ-инфраструк­ турой понимается совокупность: технических и программных средств, телекоммуникаций и информационной базы научных исследований; технологий их разработки и использования; стандартов, как внутренних, так и внешних, для разработки информационных и программных продуктов в области исследований в энергетике, обмена ими и их представления на информационный рынок [2]. ИТ-инфраструктура, с одной стороны, является интеграционной ин­ формационной и вычислительной средой для проведения исследований в энергетике. С другой стороны, ее разра­ ботка создает предпосылки для поэтапного перехода: к созданию распределенных баз данных и программных комплексов; распределению и распараллеливанию вычислений; созданию Web-ориентированных программных комплексов (вычислительных серверов); оказанию информационных услуг на основе наукоемких информацион­ ных и программных продуктов (создание Web-служб и Web-сервисов). ИТ-инфраструктура включает интеграцион­ ную информационную инфраструктуру, распределенную вычислительную инфраструктуру и телекоммуникацион­ ную инфраструктуру.

Важной составляющей ИТ-инфраструктуры является вычислительная инфраструктура. Вычислительная инфраструктура научных исследований – это, с одной стороны, взаимосвязанная совокупность программных и аппаратных средств, предоставляющих информационные и вычислительные услуги, необходимые для проведения научных исследований, с другой – распределенная вычислительная среда. В зависимости от решаемых задач можно выделить вычислительную инфраструктуру лаборатории, отдела, института, научного центра и т.д.

Все программные комплексы (ПК), разработанные и использующиеся в ИСЭМ СО РАН и образующие вы­ числительную инфраструктуру, можно разделить на три типа, или уровня. Первый уровень представлен локальны­ ми ПК, размещенными на персональных компьютерах пользователей; на втором уровне располагаются локальные БД и ПК, выполненные в архитектуре клиент-сервер, интегрированные в рамках сети лаборатории или отдела; тре­ тий уровень состоит из Web-сервисов и Web-приложений, обеспечивающих доступ к ПК и БД через Internet или в локальной сети института (Intranet). Ряд ПК (как правило, ПК первого уровня) используются для решения частных задач, либо носят исследовательский характер и реализованы как научные прототипы – они используются для от­ ладки новых методов, алгоритмов или методик. ПК второго и третьего уровней – это проблемно-ориентированные ПК, которые используются при выполнении базовых проектов института, хоздоговоров, заказных работ. Анализи­ руя разработку и использование ПК, можно отметить тенденцию постепенного перехода от локальных ПК к рас­ пределенным и далее к Web-ориентированным.

Следует заметить, что институт традиционно работает в области консалтинга, а именно: оказание опера­ тивных высококвалифицированных консультаций, подготовка экспертных заключений и других аналитических ма­ териалов, опирающихся на использование собственного программного и информационного обеспечения. Такая дея­ тельность, сопровождаемая обеспечением доступа к эксклюзивным программным и информационным продуктам, сейчас называется аутсорсингом, или предоставлением ИТ-услуг. В настоящее время в ИСЭМ СО РАН выделены следующие базовые программные продукты: 1) АНАРЭС – ПК для расчета и управления режимами электрических сетей и систем; 2) ПК «АРМ TTC-W» – автоматизированное рабочее место технолога тепловых сетей; 3) ПК «ИНТ­ ЭК» для оценки состояния ТЭК с учетом требований энергетической безопасности; 4) ПК «Оценка» –для оценки состояния электроэнергетических систем; 5) ПК «Нефть и газ России»; 6) ПК для автоматизации решения задач оп­ тимизации управления режимами ТЭС; 7) ПК «Союз» для оптимизации структуры генерирующих мощностей ЭЭС;

8) вычислительный сервер OPTCON для решения задач оптимального управления; 9) тренажер персонала тепло­ энергетического оборудования ТЭС; 10) система имитационного моделирования СИМГЭР; 11) ПК для оптимиза­ ции режимов работы гидроагрегатов; 12) геоинформационная система развивающихся электрических сетей; 13) ПК «GEM-DYN» для оптимизации расчетов по исследованию развития мировой энергетики на длительную перспекти­ ву; 14) ПК ORIRES для проведения расчетов по оптимизации структуры электростанций в межгосударственном энергообъединении; 15) универсальная среда программирования ЗИРУС; 16) информационно-прогностическая си­ стема ГИПСАР для долгосрочного прогнозирования природно-климатических факторов, влияющих на функциони­ рование энергетических систем. Большинство из них могут быть отнесены к промышленным и коммерческим про­ дуктам. Кроме этого, имеется ряд программных разработок, которые пока являются научными прототипами, но мо­ гут быть доведены до уровня коммерческих и промышленных продуктов. Учитывая, что комплексы программ, как правило, работают с уникальными, созданными исследователями базами данных, можно констатировать, что ИСЭМ СО РАН располагает серьезным интеллектуальным потенциалом, который, безусловно, может и должен быть востребован.

Современная вычислительная инфраструктура с обеспечением доступа к базовым программным продуктам через Internet может способствовать интенсификации деятельности, связанной с предоставлением ИТ-услуг [5].

Лабораторией информационных технологий ИСЭМ СО РАН был выполнен проект по созданию вычислительной инфраструктуры, результаты которого наиболее полно представлены в [6]. Основная цель проекта – разработка ме­ тодов, моделей и базовых системных программных компонентов для создания современной вычислительной ин­ фраструктуры исследований в энергетике, обеспечивающей переход к новой технологии исследований и оказанию ИТ-услуг через Internet.

Предложен методический подход к созданию вычислительной инфраструктуры исследований в энергетике, базирующийся на сервис-ориентированной архитектуре (SOA) и объединяющий как вновь создаваемые Web-серви­ сы, так и реализованные на основе адаптации унаследованных ПК.

В связи с тем, что создание современных ПК существенно усложнилось и практически нереально для при­ кладных специалистов без помощи системных программистов, в рамках проекта разработаны ориентированные на прикладных программистов методики и поддерживающий их программный инструментарий, перечисленные ниже.

1. Модель расширяемого Web-приложения, основанная на паттернах «MVC», «Command», «Factory»;.

2. Методика создания расширяемого Web-приложения, включающая следующие этапы: определение целевой группы пользователей создаваемого Web-приложения; ознакомление с предметной областью; составление вариантов ис­ пользования (полных прецедентов – use case); составление бизнес-процессов; проектирование модели данных;

проектирование структуры классов в терминах UML; реализация бизнес-объектов; реализация БД; реализация ко­ манд; реализация Web-интерфейса; конфигурирование; комплексное тестирование.

Технология разработки современных программных комплексов (приложений), имеющих возможность быстрой адаптации для предоставления сервиса в Internet или в составе систем, реализованных в концепции SOA. Она включает: технологию двухуровневого расположения контроллеров (контроллер – это паттерн, то есть стандарт­ ная программа управления приложением, которая предоставляет типовой стандартный интерфейс доступа к функциям); технологию загрузки внешних данных; методику улучшения представления кода.

Методика адаптации унаследованного программного обеспечения, включающая следующие этапы: 1) инвентари­ зация унаследованного ПК: получение исходных кодов ПК, поиск спецификаций форматов данных и документа­ ции, составление текущих вариантов использования ПК (use case), разработка блока тестов (test collection); 2) ана­ лиз исходного кода; 3) преобразование форматов данных к XML-спецификации и оптимизация кода; 4) выделе­ ние вычислительного ядра комплекса; 5) разработка ПО промежуточного уровня (middleware); 6) разработка Webприложения; 7) разработка Web-сервиса на основе Web-приложения; 8) комплексное тестирование.

Базовые системные программные компоненты, облегчающие создание Web-ориентированных прикладных ПК.

Реализованы различные стратегии реализации центрального паттерна «Модель-Вид-Контроллер», подходы к со­ зданию «Команд» и основанный на этом подход к реализации «Фабрики команд», а также вопросы передачи ин­ формации, оповещения и управления доступом к функциональности в рамках Web-приложения. Решен ряд техни­ ческих вопросов применения паттернов и основных программных решений: использование сессий, фильтров, принципы построения пулов подключений к СУБД, средства и методы создания Web-сервисов в архитектуре С использованием разработанных методик и компонентов реализованы Web-сервисы, вычислительными ядрами которых послужили ПК ИНТЭК для исследований проблемы энергетической безопасности (разработка ла­ боратории ИТ ИСЭМ СО РАН), ПК ОРТCON для решения задач оптимального управления (совместно с А.Ю. Гор­ новым, ИДСТУ СО РАН), ПК для нелинейной оптимизации (совместно с отделом прикладной математики ИСЭМ СО РАН).

Кроме того, результаты, представленные в статье, были применены при выполнении работ по грантам РФФИ № 04-07-90401; РГНФ № 04-02-00271 и применяются при выполнении проектов по грантам РФФИ № 07-07-00265; № 08-07-00172 и РГНФ № 07-02-12112.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Системные исследования проблем энергетики / Л.А. Беляев, Б.Г. Санеев, С.П. Филиппов и др.; под ред. Н.И.

Воропая. – Новосибирск: Наука, 2000.- 558 с.

2. Л.В. Массель, Д.В. Подкаменный Создание распределенной вычислительной инфраструктуры исследований в энергетике // Вычислительные технологии, 2003. – т.8, ч. II. – С. 214-218.

3. Л.В. Массель. ИТ-инфраструктура научных исследований и открытая образовательная среда // Вестник ИрГТУ, 4. Л.В. Массель, Е.А. Болдырев, Н.Н. Макагонова, А.Н. Копайгородский, А.В. Черноусов ИТ-инфраструктура научных исследований: методический подход и реализация // Вычислительные технологии, т.11, 2006.- С.

5. Н.И. Воропай, Л.В.Массель ИТ-инфраструктура системных исследований в энергетике и предоставление ИТуслуг. – Известия АН – Энергетика, №3, 2006. – С. 86-93.

6. А.В. Черноусов. Модели, методы и базовые программные компоненты для создания вычислительной инфра­ структуры исследований в энергетике / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата тех­ нических наук, 25.03.08. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. – 24 с.