Статья: Интеграция моделей и методов контекстной помощи в CAE-систему сетей электроснабжения

ФГБОУВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина»

УДК 004.031.6

Интеграция моделей и методов контекстной помощи в CAE-систему сетей электроснабжения

Е.Р. Пантелеев, Н.Б. Ильичев, В.А. Зуйков,

А.Н. Вермаховский, К.Г. Шершнев

Авторское резюме

Состояние вопроса: Основная проблема методического сопровождения CAE-систем, автоматизирующих выполнение многовариантных расчетов на компьютерных моделях инженерных объектов, заключается в формировании у пользователей навыков конструирования этих моделей с помощью специализированных редакторов. Исследования показывают, что наиболее эффективной формой методической поддержки является инструктирование пользователей непосредственно в процессе конструирования расчетных моделей. Ранее полученные авторами результаты обеспечивают методическую поддержку путем формирования контекстных методических рекомендаций на основании анализа действий пользователя при разработке модели. Однако это решение, реализованное в формате внешнего приложения, не позволяет учитывать прагматику действий пользователя CAE-системы. В связи с этим актуальной является разработка интегрированных в CAE-систему моделей и методов методической поддержки, обеспечивающих повышение информативности контекстной помощи за счет совместного учета семантики и прагматики действий пользователя.

Материалы и методы: В качестве объекта исследования рассматривается система инженерного анализа систем электроснабжения СИМЭС. Предмет исследования - процедура графического редактирования расчетной модели. Метод исследования - структурный анализ сценариев действий пользователя при выполнении процедур графического редактирования.

Результаты: Предложена модель действий пользователя CAE-системы СИМЭС, отличающаяся учетом их прагматики, а также основанные на использовании этой модели методы регистрации и воспроизведения сценариев, позволяющие формировать и предъявлять пользователю пошаговые инструкции в формате «содержание действия - цель действия».

Выводы: Достоверность полученных результатов подтверждает успешная апробация предложенных моделей и методов в составе программного комплекса СИМЭС. Интеграция моделей и методов методической поддержки в CAE-среду обеспечивает более эффективное обучение пользователей CAE-системы за счет предоставления пошаговых контекстных инструкций, увязывающих способ и цель выполнения каждого действия. Благодаря наличию специфицированных API и форматов информационного обмена, предложенное решение может быть интегрировано в любую CAE-систему, имеющую формат настольного приложения.

Ключевые слова: CAE-система, схема электроснабжения, построение расчетной модели, контекстная методическая поддержка.

Abstract

Background: The core problem of methodological support of CAE-systems that perform multivariate engineering calculations on computer models is shaping up user skills in editing those models. Immediate instruction of users in the course of model design has been proven to be the most effective form of methodological support. The results of the authors' previous studies implement methodological support by supplying «on the fly» context-dependent recommendations based on the user's activities in the modeling environment. However, implemented as a standalone application, this solution does not take into consideration the pragmatics of a CAE-system user's actions. The present study is aimed at developing CAE-integrated models and methods of methodological support which would provide more informative context-based help by simultaneously considering the semantics and pragmatics of users' actions.

Materials and methods: The object of the present study is the SIMES CAE system for engineering analysis of power supply systems. The subject of the study is the process of calculation model graphic editing. The research method is the structural analysis of user actions when performing graphic editing.

Results: A model of user actions in the SIMES CAE system has been proposed. Its distinguishing feature is that it takes into account both the semantics and pragmatics of an action. Based on this model, the authors have developed methods for recording and reproducing user actions which provide the user with stepwise tips in the «action content - action goal» template.

Conclusion: The reliability of the obtained results has been confirmed by successful approbation of the proposed models and the methods within the SIMES program complex. Integration of methodological support models and methods into the CAE system makes CAE-system user training more effective by providing users with stepwise context-based tips which relate the content of a proposed action to its purpose. Due to the specified API and data interface, the proposed solution can be integrated into any desktop CAE system.

Key words: CAE-system, power supply scheme, calculation model design, context-based methodological support.

Системы инженерного анализа (Computer-aided engineering, или CAE-системы) позволяют исследовать поведение сложных инженерных объектов в условиях реальной эксплуатации, в том числе в нештатных и аварийных режимах, с помощью экспериментов на компьютерных моделях этих объектов. Тем самым обеспечивается существенное сокращение сроков и стоимости автоматизированного проектирования таких объектов и повышение надежности их эксплуатации.

К числу таких инженерных объектов относятся современные системы электроснабжения (СЭС). СЭС - это сложная территориально-распределенная система, состоящая из множества разнотипных инженерных объектов (источники энергии, трансформаторы, линии передач, конечные потребители), в функции которой входит бесперебойная поставка качественной электроэнергии и минимизация последствий аварийных отключений. Гарантированное обеспечение этих функций требует проведения многовариантных расчетов различных режимов их функционирования (режимов максимальных нагрузок или основных планируемых режимов) с учетом всех воздействующих факторов, включая даже такие, как климатические и погодные условия эксплуатации. Однако структурная сложность систем электроснабжения, дополненная многообразием входящих в них инженерных объектов, делает выполнение этих расчетов невозможным без применения современных CAE-систем.

Рынок CAE-систем для инженерного анализа схем электроснабжения представлен достаточно широким спектром продуктов, имеющих сходные функциональные возможности и отличающихся в основном различными подходами к описанию модели электрической сети.

Традиционные программы для расчета режимов СЭС, такие как RastrWin [1] или программа для расчета токов коротких замыканий АРМ СРЗА [2], используют описание сети в виде электрической схемы замещения, в которой элементы сети представлены узлами и ветвями. Более современные продукты - Sincal Siemens P. T. I. PSS® SINCAL. - 2017., СИМЭС [3] - представляют модель в виде расчетной схемы. Она близка по начертанию к стандартной однолинейной электрической схеме и поэтому более доступна для восприятия инженерами, работающими с такой CAE-системой, в то время как проектирование схемы замещения требует от пользователя знаний в области теоретических основ электротехники. Схема замещения в таких системах анализа строится на основании расчетной схемы автоматически и поэтому прозрачна для пользователя. Кроме того, трудоемкость описания расчетной схемы может оказаться существенно меньше трудоемкости описания схемы замещения, так как для создания схемы замещения необходима достаточно большая работа по расчету параметров схем замещения элементов сети. В ряде случаев один элемент расчетной схемы отображается в несколько ветвей схемы замещения. Так, объект «трехобмоточный трансформатор» моделируется тремя ветвями схемы замещения, а четырехобмоточный - пятью. При составлении схемы замещения должен осуществляться контроль связности сети и соответствие номинальных напряжений узлов с учетом соотношений коэффициентов трансформации. При вводе объектной модели этот контроль осуществляется автоматически и практически исключает возможность возникновения структурных ошибок и ошибок, связанных с определением номинальных напряжений узлов. В результате скорость сборки модели увеличивается в 5-6 раз. С учетом снижения вероятности ошибок пользователя, неизбежных при разработке больших моделей, время получения результатов расчета может сократиться на порядок, так как построение расчетной модели и собственно расчет выполняются автоматически и, по сравнению с проектированием расчетной модели, занимают незначительную часть времени. С другой стороны, уменьшение сложности сборки модели на уровне расчетной схемы компенсируется расширением номенклатуры используемых для ее построения элементов. Если на уровне схемы замещения всего два типа элементов (узлы и ветви), то на уровне расчетной модели их количество измеряется десятками. Так, в CAE-системе СИМЭС в настоящее время используется 22 типа объектов, каждый из которых имеет собственное множество параметров, представленное на уровне интерфейса пользователя специфичной для каждого объекта табличной формой. Поэтому, хотя номенклатура элементов расчетной схемы и семантика их параметров интуитивно понятны инженеру, выполняющему расчет, добавление объектов в схему и их параметризация в контексте решаемой задачи, а также выбор рациональной последовательности проектирования схемы замещения требуют соответствующей подготовки пользователей. Опыт обучения пользователей СИМЭС подтверждает этот тезис как для отдельных операций проектирования схемы (табл. 1), так и для стратегии их рационального применения в целом.

Приведенные в табл. 1 формулировки типичных проблем позволяют сделать вывод, что их основными источниками являются либо неумение проектировщика применить общие принципы проектирования (связность схемы, проектирование «от источника») к частной ситуации (пп. 1-4), либо наличие нестандартных приемов использования документированных возможностей редактора схем, которые обнаруживаются только по мере накопления опыта эксплуатации продукта (пп. 5-6). И в том, и в другом случае проблема может быть решена демонстрацией «эталонного» сценария действий. Что касается стратегии рационального проектирования расчетной схемы в CAE-системе СИМЭС, то она сводится к минимизации объема ввода исходных данных за счет выбора такой последовательности операций, которая позволяет использовать формируемые системой зависимости между параметрами отдельных элементов. Так, например, если начать проектирование схемы от источника питания и ввести его напряжение, напряжение смежных источнику узлов, связанных с элементами «линия», определится автоматически. После этого можно приступать к определению параметров линии. Аналогично, если добавить в схему трансформатор, номинальные напряжения смежных ему узлов автоматически определятся по параметрам трансформатора.

Необходимость методического сопровождения CAE-систем, таким образом, вполне очевидна как для поставщиков, так и для потребителей этой продукции [4-8]. Поэтому поставщики CAE-систем пытаются решить эту проблему всеми доступными способами, а потребители - выбрать наиболее эффективный формат обучения. Традиционно методическое сопровождение реализуется с использованием технической документации, очных курсов и вебинаров с демонстрацией примеров выполнения проектных операций в реальном времени или в формате видеороликов, а также дистанционных консультаций для решения частных проблем, возникающих при решении конкретной задачи. Все эти форматы не свободны от недостатков. Так, техническая документация структурирована в аспекте общей функциональности CAE-системы, а не особенностей ее применения для решения конкретных задач. Очные и заочные курсы, помимо своей высокой стоимости, в большей или меньшей степени ориентированы на массовую аудиторию, в результате чего игнорируются индивидуальные проблемы пользователей. Дистанционные консультации не всегда доступны из-за того, что зачастую поставщик CAE-системы не располагает достаточным штатом экспертов.

Таблица 1 Типовые проблемы проектирования расчетной схемы

Рис. 1. Проблема: возможен только выбор кабелей, рассчитанных на напряжение сети

Наконец, в любом из этих форматов пользователь присутствует в качестве стороннего наблюдателя, для которого возможность анализа связи между процессом выполнения операции и полученным в среде CAE-системы результатом обусловлена необходимостью самостоятельно воспроизвести на компьютере этот процесс по его текстовому описанию или видеозаписи на экране. Этот процесс сопряжен с непроизводительными затратами времени и сопутствующими ошибками в трактовке неоднозначных описаний.