Статьи

Управление процессами расчетных обоснований и их интеграция в единую информационную среду предприятия

Авторы: М. В. Гусев, А. А. Кечков, А. П. Олисов, исследователи Института проблем безопасного развития атомной энергетики РАН, Москва, Россия

     С каждым годом растет доля компьютерных инженерных расчетов в рамках обоснований безопасности и эксплуатационных характеристик изделий и объектов. Повышается сложность и масштабность расчетных моделей, проводятся сложные мультифизичные расчеты. Для решения вопросов управления растущими объемами данных и процессов расчетных обоснований, российские предприятия постепенно начинают применять в своей практической работе автоматизированные информационные системы управления расчетными данными и процессами расчетных обоснований (системы SPDM-класса, англ. Simulation Processes and Data Management). Одними из наиболее сложных задач при внедрении таких систем является настройка и автоматизация процессов управления расчетами и интеграция системы в единую информационную среду предприятия. В статье представлено описание подходов в решении данных задач и их реализация на примере "Системной оболочки" – системы управления расчетными данными и процессами расчетных обоснований, разрабатываемой в рамках проектного направления "Прорыв" для предприятий атомной отрасли и позволяющей учитывать их особенности и стандарты при проведении расчетных обоснований.

Ключевые слова: расчетный код, управление данными, управление процессами, расчетное обоснование, мультифизичный расчет, реакторы на быстрых нейтронах, интеграция.

     Системы управления расчетными данными и процессами расчетных обоснований (SPDM-системы) относятся к достаточно молодому классу программного обеспечения, но их актуальность и интерес к ним со стороны предприятий растут с каждым годом. Связано это, в первую очередь, с ростом количества и требований к проводимым расчетам в виду усложнения проектируемых изделий и объектов, а также ростом требований со стороны заказчиков и надзорных органов в части обоснований безопасности, подтверждения эксплуатационных характеристик и применяемых конструктивных и технологических решений.

     Примером реализации системы управления расчетными данными и процессами расчетных обоснований для предприятий атомной отрасли, участвующих в проектном направлении "Прорыв" (ПН "Прорыв"), является автоматизированная информационная система "Системная оболочка" (СО). В статье [1] приводится основ-ное назначение, архитектура системы и подходы к реализации отдельных подсистем СО. Основными преимуществами для пользователей Системной оболочки являются:

  • быстрый доступ ко всем расчетным данным и инструментам (пре/постпроцессорам, решателям) в единой среде с унифицированным интерфейсом;
  • управление расчетными данными с разграничением прав доступа, учетом версий и взаимосвязей между ними;
  • простая и удобная работа с вычислительными ресурсами, в том числе с вычислительными кластерами;
  • автоматизированное сохранение промежуточных и конечных результатов расчета в хранилище СО;
  • возможность хранения самих решателей (расчетных кодов, в соответствии с принятой в атомной отрасли терминологией), поддержка учета и контроля используемых версий расчетных кодов;
  • возможность наращивания функциональности системы за счет простой и быстрой интеграции в состав СО дополнительных расчетных кодов (без их модификации) и пре/постпроцессоров без участия разработчиков СО.

     Обязательными условиями функционирования СО, как и других систем такого класса, на предприятии являются реализация в системе механизмов управления и контроля за ходом выполнения расчетных обоснований, а также интеграция системы в единую информационную среду предприятия для обеспечения сквозных процессов управления жизненным циклом изделий и объектов. Не смотря на различающиеся условия информационной среды, различия в архитектурах применяемых решений, основные принципы управления расчетными данными и взаимодействия между информационными системами будут актуальны для большинства предприятий. Далее будут представлены решения задач по автоматизации и организации коллективной работы при проведении расчетных обоснований и обеспечению "бесшовной" интеграции СО в единую информационную среду предприятия.

Автоматизация процессов проведения расчетных обоснований

     Проведение расчетных обоснований в рамках анализа и обоснования безопасности АЭС является достаточно сложным процессом, в ходе выполнения которого происходит активный обмен информацией между участниками коллектива инженеров-расчетчиков, а также остро стоит проблема получения объективной информации о состоянии выполнения различных задач и контроля над полученными результатами. В информационных системах управления данными об изделиях и объектах (PLM/PDM системах, англ. Product Lifecycle Management и Product Data Management) стало уже "де-факто" использование механизмов управления соответствующими бизнес-процессами предприятия (workflow). При переносе данной практики на систему управления расчетными данными и расчетными обоснованиями необходимо учитывать некоторые особенности, напрямую связанные с функциональными возможностями таких систем. В первую очередь это необходимость запуска различных внешних приложений (пре/постпроцессоров, решателей) на вычислительных ресурсах различного уровня и организация полноценного информационного обмена с ними. При этом в части запуска самих расчетов крайне важно получать статус о состоянии процесса расчета на вычислительном ресурсе. В целом при реализации поддержки процессов проведения расчетных обоснований необходимо обеспечить:

  • автоматизацию и формализацию процессов расчетных обоснований с использованием специальных шаблонов потоков работ (workflow);
  • возможность инициализации данных шаблонов и запуска конкретных процессов с указанием    ответственных исполнителей;
  • возможность осуществления контроля выполнения каждого этапа расчетных обоснований назначенными исполнителями; 
  • возможность адаптации шаблонов процессов расчетных обоснований под требования и условия работы конкретных предприятий. 

     Далее рассмотрена реализация типового шаблона процесса проведения расчетного обоснования в соответствии с указанными выше требованиями. При этом дополнительными условиями для его реализации являются: 

  • назначение исполнителей на отдельные роли в начале процесса с возможностью последующей замены; 
  • обеспечение запуска расчетов непосредственно из задач процесса с последующим мониторингом их состояния. 

     Условно в процессе участвуют три роли: начальник отдела, ведущий инженер и инженер-расчетчик. Назначение ролей и основные этапы наглядно представлены на схеме процесса расчетного обоснования, рис. 1. Как видно из рис. 1, еще одной отличительной чертой процесса является большое количество обратных связей. 

     Так как СО разработана на программной платформе ANSYS EKM, то шаблон разрабатывался с использованием встроенных в платформу средств и механизмов. На рис. 2 представлено графическое представление реализованного шаблона процесса в специальном инструменте ANSYS EKM.

Рисунок 1. Схема процесса проведения расчетного обоснования

 

Рисунок 2. Шаблон процесса проведения расчетного обоснования

     В описании шаблона рассмотрим два момента. Первое это цикл запуска расчетов, рис. 3. Для запуска расчетов на удаленных вычислительных ресурсах (кластерах) используется связка из двух специализированных узлов: "Запуск удаленного расчета" и "Ожидание завершения расчета". При этом первый реализует (с помощью специально разработанных скриптов) автоматический запуск расчета на удаленном вычислительном ресурсе, а второй узел обеспечивает мониторинг и предоставление пользователю информации о статусе расчета.

Рисунок 3. Этап выполнения расчета

На рис. 4 представлена часть шаблона, демонстрирующая реализацию множественных обратных связей и обеспечивающая реагирование на действия участников процесса.

Рисунок 4. Реализация обратных связейв циклах согласования и утверждения

     Во всех пользовательских задачах шаблона реализованы проверки правильности ввода значений и указания необходимых данных. Также в шаблон внедрены скрипты, которые по завершении определенных этапов автоматически изменяют статус расчетных данных, например, из состояния в "В разработке" в состояние "Утвержден".

     На рис. 5 показаны примеры разработанного интерфейса пользовательских задач описанного шаблона. Благодаря инструментарию программной платформы, на каждом этапе возможен визуальный контроль хода процесса и сроков выполнения отдельных конкретных задач.

     Разработанный шаблон типового процесса проведения расчетных обоснований является универсальным и, при необходимости, может быть быстро доработан в соответствии с конкретными требованиями предприятий-пользователей СО под конкретные задачи и используемые бизнес-процессы. Отработанная технология потенциально может быть использована для автоматизации специфичных процессов расчетных обоснований, например, для организации связанных расчетов с использованием нескольких решателей, многовариантных и оптимизационных расчетов.

Интеграция системы управления расчетами в единую информационную среду предприятия

     Очевидна тенденция к эволюции систем инженерного анализа из средств расчетов в отдельном подразделении организации в одну из частей процесса разработки нового изделия/объекта и составляющую всего его жизненного цикла. На предприятиях с современной реализацией информационной поддержки процессов управления жизненным циклом изделий и объектов, хранение и управление всеми проектными и конструкторско-технологическими данными, являющимися исходной информацией для проведения расчетных обоснований, организовано в системах класса PLM/PDM. Поэтому важно обеспечить взаимодействие системы управления расчетными данными с системой управления жизненным циклом изделий/объектов.

Рисунок 5. Примеры пользовательского интерфейса

     Подобного класса задачи по интеграции PLM/PDM систем с системами управления данными и процессами расчетных обоснований успешно решаются во многих крупных зарубежных компаниях, таких как: AIRBUS, EADS, SAFRAN, DASSAULT Aviation, EUROCOPTER, SIEMENS, ALSTOM, ABB, BOSCH, BMW, TOYOTA, Volkswagen, IBM и др. В российской практике таких примеров пока мало ввиду начального этапа распространения систем управления данными и процессами расчетных обоснований.

     В проектном направлении "Прорыв" участвуют организации с различной специализацией. Одни подразделения и организации занимаются разработкой проектных, конструкторских и технологических моделей, а другие занимаются расчетным обоснованием данных моделей с применением расчетных кодов нового поколения и проектных кодов. При проведении расчетов для создания расчетных моделей могут использоваться данные из информационной системы управления жизненным циклом изделий и объектов (ИСУЖЦ) единого информационного пространства ПН "Прорыв". В ИСУЖЦ должны размещаться все ключевые результаты работ, полученные при реализации проектов ПН "Прорыв". Соответственно, после проведения расчетных обоснований актуальной является задача по размещению итоговых обработанных результатов расчетов также в ИСУЖЦ.

     Управление расчетными данными в части хранения, управления версиями и состоянием жизненного цикла может быть организовано средствами программной платформы ИСУЖЦ — PLM-системы PTC Windchill. Однако, PTC Windchill без серьезной доработки не позволяет организовать интеграцию с расчетными системами, соответствующими вычислительными ресурсами и средствами удаленной визуализации, применяемыми для подготовки "больших" входных данных (расчетных моделей) и обработки результатов расчетов. Для решения данных проблем в ПН "Прорыв" и должна использоваться разрабатываемая Системная оболочка.

     В итоге, возникает необходимость в интеграции ИСУЖЦ и СО, чтобы, во-первых, обеспечивались сквозные процессы проектирования и расчетного моделирования, а, во-вторых, была возможность формирования в ИСУЖЦ единой информационной модели для обеспечения быстрого поиска и просмотра всех основных результатов работ проектного направления "Прорыв". Так как все расчетные данные могут занимать достаточно большое место и иметь свою разветвленную структуру, не имеет смысла все расчетные данные передавать в ИСУЖЦ — достаточно передать из СО в ИСУЖЦ только ключевые отчетные материалы по расчетным обоснованиям и сохранить их в привязке к исходным проектным, конструкторским и технологическим данным. Для исключения ошибок и несоответствий конечных результатов расчетов исходным данным, необходимо обеспечить возможность отслеживания изменений исходных данных в ИСУЖЦ в ходе проведения расчетных обоснований с помощью СО.

     Следовательно, основными требованиями к функционалу интеграции являются:

  1. обеспечение возможности передачи исходных данных из ИСУЖЦ в СО для проведения расчетных обоснований;
  2. отслеживание в СО изменений исходных данных (с получением соответствующих уведомлений) в процессе проведения расчетов, которые могут быть выполнены в ИСУЖЦ;
  3. передача из СО и сохранение итоговых результатов расчетов в ИСУЖЦ в привязке к исходным данным.

     Интеграция СО и ИСУЖЦ реализуется на уровне программных платформ обеих систем – Ansys EKM и PTC Windchill соответственно.

     Изначально существует два основных подхода к реализации интеграции двух указанных программных платформ:

  • использование существующего коммерческого решения EKM Datalink на базе программного продукта OpenPDM от компании PROSTEP AG;
  • реализация программных модулей интеграции средствами интерфейса прикладного программирования API программных платформ.

     Исходя из проведенного детального анализа, выбор был сделан в пользу реализации с использованием API программных платформ. Данный выбор обусловлен следующими аспектами:

  • возможностью реализации более широкой функциональности, ограниченной лишь требованиями пользователей и возможностями API продуктов;
  • возможностью быстрой проверки функционирования и адаптации разработанного с помощью API решения к новым версиям программных платформ, в отличии от жесткой привязки коммерческого решения к версиям программных платформ;
  • возможностью более гибкой настройки на использование существующих аппаратных и программных архитектур.

     Реализация интеграции в определенной степени затрагивает обе системы. Для обеспечения возможности перехода из ИСУЖЦ в СО и просмотра текущей информации по расчетному обоснованию, для объекта типа "Расчет" в ИСУЖЦ добавлен атрибут "Ссылка в Системную оболочку", который может иметь одно единственное значение типа "URL".

     Со стороны СО добавлены дополнительные контейнерные типы данных, которые позволяют хранить ссылки на исходные данные из ИСУЖЦ. Был выбран подход с созданием в СО именно ссылок на исходные данные в ИСУЖЦ (загрузки в СО файлов с данными), что позволило избежать лишнего дублирования информации и увеличения объема базы данных СО. Кроме того, в СО введены дополнительные эле-менты интерфейса для установления связи с исходными данными в ИСУЖЦ и сохранения конечных результатов расчетов в привязке к исходным данным.

     К дополнительным условиям, которые необходимо было учесть при реализации интеграции, можно отнести развертывание СО и ИСУЖЦ на территориально удаленных площадках и организацию доступа к ИСУЖЦ только по защищенному VPN соединению. Реализованная в результате схема интеграции представлена на рис. 6.

Рисунок 6. Архитектура интеграционного решения     

     Для поддержки и обеспечения интеграции было разработано два основных приложения:

  • веб-сервис для взаимодействия с программной платформой PTC Windchill;
  • непосредственно, приложение интеграции, осуществляющее взаимодействие с программной платформой СО и веб-сервисом.

     Для ухода от необходимости организации для всех рабочих мест пользователей СО VPN-соединений к ИСУЖЦ был выделен специальный сервер, на котором и установлено разработанное приложение интеграции. Данный сервер, с одной стороны, имеет доступ к ИСУЖЦ, а с другой — располагается в той же сети, что и сервер СО и, соответственно, все пользователи СО имеют к нему доступ.

     Приложение интеграции включает в себя веб-сервис WildFly и веб-приложение. Запуск веб-приложения производится путем запуска веб-сервиса WildFly с публикацией веб-приложения в контейнере сервиса.

     Кроме того, для хранения даты последней синхронизации изменений исходных данных, на сервере интеграции используется СУБД MySQL. Это необходимо для сокращения времени синхронизации изменений исходных данных в ИСУЖЦ и соответствующих им объектов в СО.

     Вызов функций по интеграции с ИСУЖЦ происходит через встроенные методы Системной оболочки. С помощью встроенного языка Jython происходит считывание настроек интеграции, после чего они передаются в веб-приложение посредством POST-запроса. После этого у пользователя открывается страница веб-приложения, в котором он может совершать необходимые действия.

     При загрузке данных из ИСУЖЦ в СО автоматически создается подписка на уведомления об изменении созданных объектов. В результате, при выполнении синхронизации данных в случае изменения исходного документа в ИСУЖЦ (создании новой версии) в СО также создается новая версия соответствующего объекта, и пользователю направляется сообщение по электронной почте. Это позволяет исключить ошибки и несоответствие конечных результатов расчетов исходным данным.

     Реализованный функционал в части интеграции СО с ИСУЖЦ ЕИП, с одной стороны, дол-жен упростить отслеживание изменений исходных данных для проведения расчетных обоснований, а, с другой стороны — ускорить передачу важных результатов расчетов в ИСУЖЦ и тем самым обеспечить полноту информационных моделей объектов проектного направления "Прорыв".

Заключение

     Рассмотрены две важные задачи при внедрении и использовании систем управления расчетными обоснованиями на предприятии: автоматизация и управление процессами расчетных обоснований и интеграция системы в единую информационную среду для обеспечения сквозных процессов проектирования и расчетного моделирования. Представлены варианты решения данных задач для реализуемой в рамках проектного направления "Прорыв" системы "Системная оболочка".

     Реализованный функционал обеспечивает повышение качества расчетных обоснований за счет:

  • улучшения взаимодействия между участниками процессов расчетных обоснований, регламентации процессов и обеспечения контроля хода их выполнения на каждом этапе;
  • обеспечения актуальности исходных данных и возможности отслеживания их изменений;
  • обеспечения однозначных взаимосвязей между исходными моделями и результатами расчета по ним в единой информационной среде.

     Описанные технологии и подходы могут быть использованы при внедрении Системной оболочки или аналогичных систем на различных предприятиях при адаптации решений под условия работы и конкретные требования как в части используемых бизнес-процессов, так и в части используемых на предприятиях систем управления данными об изделиях/объектах.

Литература

1. Система поддержки процессов проведения расчет-ных обоснований в атомной энергетике // М. В. Гусев, А. А. Кечков, А. Р. Арутюнян // Информационные тех-нологии в проектировании и производстве. 2015. № 1. С. 22—27. 

 

Скачать статью можно по ссылке

Оставить запрос
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения
Хотите всегда быть в курсе последних новостей и событий?
Подпишитесь на рассылку
Подписаться