Инструментальные средства для создания единого информационного пространства промышленных компаний
Марков Н.Г.

Аннотация

Формирование единого информационного пространства (ЕИП) современных промышленных компаний предполагает решение ряда проблем, среди которых особенно важной представляется проблема интеграции информационных систем компаний по производственным данным. В статье предложен подход к решению этой проблемы путем использования отраслевых инструментальных систем для интеграции производственных данных (СИПД). Каждая СИПД должна учитывать специфику той или иной отрасли и служить адаптируемым инструментом при создании ЕИП конкретных компаний отрасли. Автор формулирует принципы построения и предлагает обобщенную архитектуру инструментальной СИПД, а также интеграционную модель производственных данных. На основе базового программного обеспечения создана инструментальная СИПД для нефтегазовой отрасли. Система прошла успешную апробацию в ряде компаний.

Ключевые слова: единое информационное пространство, промышленная компания, информационные системы, корпоративная информационная система управления компанией.

В последние годы во многих отечественных промышленных компаниях все чаще применяются информационные системы (ИС) различного назначения (для управления производством, для электронного документооборота и т.д.). Известно, что магистральным путем развития ИС для решения задач управления современной промышленной компанией является создание комплексной информационной системы управления (часто говорят об интегрированной системе управления или корпоративной информационной системе – КИС). КИС должна обеспечивать поддержку распределенного многоуровневого управления, в том числе крупномасштабной территориально распределенной компанией. Более того, внедренная в компании КИС – это основа для создания и развития единого информационного пространства (ЕИП) компании [1]. Под ЕИП будем понимать совокупность аппаратно-программных средств и всех хранимых данных, функционирующих на основе единых технических, организационных и методических требований и принципов и оперативно обеспечивающих информационными ресурсами специалистов и менеджмент компании независимо от их местонахождения.

В статье рассматривается проблема разработки инструментальных средств для создания ЕИП современных промышленных компаний, имеющих различные ИС и весьма высокий уровень автоматизации производства.

Формирование ЕИП компании. Сегодня для многих отечественных промышленных компаний характерна «лоскутная» автоматизация, т.е. автоматизация отдельных производственных участков и отдельных бизнес-процессов. Именно в таких компаниях важно создавать КИС и реализовывать концепцию ЕИП.

Еще на первом этапе создания ЕИП компании возникает проблема разработки и внедрения во всех цехах и службах единой системы нормативно-справочной информации. Сотрудники компании, работая с разными ИС в рамках ЕИП, должны пользоваться актуальными едиными классификаторами, нормативами и справочниками.

При создании ЕИП необходимо решать задачу организации пользовательского интерфейса. Для сотрудника, работающего в единой информационной среде, важно, чтобы взаимодействие систем было «бесшовным», чтобы пользовательский интерфейс был удобным, чтобы был реализован принцип единой точки доступа в ЕИП. Решение этой задачи может быть обеспечено применением двух методов формирования пользовательского интерфейса. Первый: для пользователя основной для него ИС при работе из нее с данными и (или) функциями другой системы проектируется интерфейс, представляющий собой модификацию интерфейса основной системы. Второй метод: обеспечение вебпортального доступа к данным других внедренных в компании ИС; доступ ведется через интранет-портал компании, при этом легко реализуется принцип единой точки доступа пользователя в ЕИП. К сожалению, интернет-портал не может быть единственным центром доступа ко всем потокам данных и ко всем ИС в рамках ЕИП компании. На практике часто используют комбинированный подход, когда применяются оба метода доступа пользователей в ЕИП компании.

При создании ЕИП компании, имеющей несколько ИС, можно использовать различные способы интеграции ИС: интеграция по данным, интеграция по функциональным сервисам (функциям), интеграция по интерфейсам и комбинированный способ (при объединении двух систем производится интеграция и по данным, и по функциям). Наибольшее распространение получил способ интеграции ИС по данным [2]. Важной проблемой остается разработки инструментальных средств такой интеграции.

Сам процесс интеграции различных ИС по производственным данным также сопряжен с рядом проблем, которые в значительной мере усложняют решение задачи обеспечения сотрудников компании информационными ресурсами.

Во-первых, сложность взаимодействия ИС возникает из-за территориальной распределенности производств и офисов компании, а также из-за разнородности протоколов передачи данных. По мере развития производств, оснащения их разнородными ИС возникает сложная схема сбора и обработки производственных данных.

Во-вторых, в каждой компании формируется свой собственный набор ИС, представляющих собой смесь из:

• монолитных и клиент-серверных приложений;
• процедурных, объектно-ориентированных и компонентных программных решений;
• программ, написанных на различных языках программирования;
• ИС, построенных на платформах различных систем управления базами данных (СУБД).

В-третьих, для современной промышленной компании характерны большие объемы технологических данных (данные с датчиков технологического оборудования, результаты химических анализов сырья и продукции, результаты диагностики состояния технологического оборудования и т.п.), что усложняет обмен ими в рамках создаваемого ЕИП компании.

Существуют три базовых метода интеграции ИС по данным: консолидация, федерализация и распространение [2]. При использовании метода консолидации данные собираются из нескольких первичных систем и интегрируются в одно постоянное место хранения. Такое место хранения может быть использовано для подготовки отчетности и проведения анализа, как в случае хранилища данных, или как источник данных для других приложений.

Метод федерализации данных обеспечивает единую виртуальную картину нескольких первичных источников данных. Для получения сведений о некотором процессе, обрабатываемом в нескольких оперативных приложениях, процессор федерализации данных извлекает сведения из соответствующих первичных складов данных, интегрирует их таким образом, чтобы они отвечали виртуальной картине и требованиям запроса, и отправляет результаты в то бизнес-приложение, из которого пришел запрос.

Метод распространения данных подразумевает их копирование из одного места в другое. Этот метод обычно используется для операций реального времени и является событийно управляемым.

Все перечисленные методы имеют свои преимущества и недостатки. Каждый из них является наиболее эффективным в определенных условиях. Например, федерализацию данных рекомендуется использовать в тех случаях, когда стоимость реализации метода консолидации данных перевешивает бизнес-преимущества, которые он предоставляет.

Решая проблему создания ЕИП компаний путем интеграции ИС по данным, ИТ-отделы нередко выбирают наиболее очевидный путь, создавая частные интеграционные решения и налаживая тем самым обмен данными между двумя и более конкретными ИС. Нельзя отрицать очевидную эффективность такого подхода благодаря как высокой производительности обмена данными (за счет использования «родных» для ИС механизмов обмена), так и невысокой стоимости такого интеграционного решения. Тем не менее очевидны недостатки этого подхода, связанные прежде всего с отсутствием требуемой гибкости и масштабируемости решений. В результате экономия на разработке может нивелироваться существенными затратами на поддержку работоспособности частных интеграционных решений в условиях постоянно меняющейся информационной среды компании.

Существуют более общие подходы к решению задачи интеграции ИС по данным на уровне компании, например использование интеграционных платформ. Сегодня на рынке представлены универсальные интеграционные платформы Microsoft BizTalk [3], IBM WebSphere [4] и др. Их отличительной особенностью является инвариантность к предметной области, позволяющая строить интеграционные решения для различных бизнес-отраслей. Однако универсальность оборачивается неэффективностью в силу избыточности функционала и сложности архитектуры. Понимая это, многие производители программного обеспечения (ПО) для решения задач интеграции ИС по данным создают отраслевые шаблоны интеграционных решений, основанные на универсальных платформах. Однако такие шаблоны сегодня имеются лишь для ограниченного числа отраслей и классов интегрируемых систем, в основном для непроизводственной сферы и для финансово-экономических ИС.

На наш взгляд, разумной альтернативой этим подходам в случае промышленных компаний является создание отраслевой инструментальной системы (совокупности отраслевых систем) для интеграции ИС компаний отрасли (отраслей) по производственным данным. Такая инструментальная система интеграции производственных данных (СИПД) должна сочетать мощь и гибкость универсальных платформ с высокой производительностью и предметной ориентированностью частных интеграционных решений и учитывать специфику той или иной отрасли. Кроме того, СИПД должна быть легко адаптируемой для решения задач интеграции ИС конкретных компаний отрасли.

Принципы построения и обобщенная архитектура инструментальной СИПД. На основе анализа направлений деятельности современных промышленных компаний и используемых в них ИС для решения производственных задач можно сформулировать следующие общие принципы построения инструментальной СИПД для компаний той или иной отрасли.

1. Принцип унифицированного федеративного доступа к данным, согласно которому участник (любая ИС), являющийся потребителем или источником данных, должен взаимодействовать с инструментальной СИПД, выступающей в роли сервера федерализации данных. Участник, являющийся потребителем данных, должен взаимодействовать с единым виртуальным источником данных, иначе ему придется взаимодействовать с несколькими источниками данных индивидуально через различные интерфейсы, с использованием разных протоколов. Благодаря федерализации данных участник-потребитель имеет дело с единообразным интерфейсом, и ему нет необходимости знать, где эти данные хранятся и какой язык программирования или интерфейс поддерживается участником-источником. Участнику-потребителю также не обязательно знать о физических условиях хранения данных или используемых сетевых протоколах (сетевая прозрачность).

2. Принцип интеграции данных компании на основе интеграционной модели производственных данных (ИМПД). Каждый участник по-своему интерпретирует предметную область (отрасль), в связи с этим задача сопоставления семантически подобных сущностей из схем данных участников при их интеграции оказывается достаточно сложной. Наличие ИМПД, в определенной степени общей для всех участников, значительно облегчает эту задачу. Использование ИМПД предметной области (отрасли) позволяет сделать процесс обмена данными простым и прозрачным: этот подход гарантирует, что все сообщения между интегрируемыми участниками будут правильно поняты и интерпретированы.

3. Принцип адаптивности инструментальной СИПД, в соответствии с которым особенности конкретной компании должны легко учитываться при создании конкретной СИПД путем развития, масштабирования и адаптации отраслевой инструментальной СИПД.

4. Принцип раздельного описания логики процессов передачи данных и параметров доступа к данным конкретных интегрируемых ИС. Согласно ему для каждого участника необходим адаптер, предоставляющий конкретной инструментальной СИПД интерфейс к его данным в виде, соответствующем ИМПД. Адаптер должен преобразовывать информацию из схемы данных участника в схему данных ИМПД.

5. Принцип сервисной ориентированности архитектуры (Service Oriented Architecture, SOA) инструментальной системы. Согласно ему транспортный уровень движения данных интегрируемых участников должен быть организован посредством веб-сервисов, а передача данных – реализована в формате XML. Следование этому принципу позволяет обращаться не только к данным, хранящимся в базах, но и к данным в коммерческих и заказных приложениях, веб-контенте, документах, рисунках и пр. [5].

6. Принцип информационной безопасности, согласно которому инструментальная система должна обладать развитыми механизмами защиты передаваемых данных, а также уметь адаптироваться к различным архитектурам безопасности интегрируемых участников и требованиям к информационной безопасности конкретных компаний.

На основе изложенных принципов можно предложить обобщенную архитектуру инструментальной СИПД, схема которой представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема обобщенной архитектуры инструментальной СИПД

Основными компонентами инструментальной системы являются ядро и адаптеры, обеспечивающие механизм унифицированного взаимодействия интегрируемых участников с ядром СИПД. Согласно принципу 4 для каждого участника интеграции необходим адаптер, предоставляющий СИПД интерфейс к данным этого участника в виде, описанном в ИМПД.

Большим классом производственных данных в промышленной компании являются технологические данные, содержащиеся в автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУ ТП). Данные с АСУ ТП передаются на верхние уровни управления компанией. На рисунке 1 изображено М таких АСУ ТП. Так как технологические данные имеют свои особенности по сравнению с остальными производственными данными, для их сбора и передачи должен быть разработан отдельный OPC-адаптер, желательно универсальный для всех АСУ ТП, поддерживающих стандарт OPC.

Ядро инструментальной СИПД выполняет следующие основные функции:

• обеспечивает хранение ИМПД в базе данных под управлением универсальной СУБД и предоставляет средства для ее модификации;
• предоставляет инструментарий для создания, настройки, исполнения и контроля всех интеграционных процессов (настройка интеграционного процесса включает в себя сопоставление объектов интеграции и их атрибутов участников на основе ИМПД);
• предоставляет возможность создания правил преобразования данных при передаче их в ту или иную ИС, приведения к общим единицам измерения;
• обеспечивает обмен данными в разных режимах (по расписанию, по запросу пользователя, по изменению данных).

Процесс реализации на основе отраслевой инструментальной СИПД системы интеграции производственных данных конкретной промышленной компании будем называть формированием конкретной СИПД, которое включает:

• настройку при помощи инструментальных средств структур данных такой системы, включая наполнение ИМПД классами производственных объектов, регистрацию объектов компании и т.д.;
• подключение новых адаптеров, позволяющих задействовать конкретные производственные ИС;
• адаптацию, включающую доработку ПО инструментальной СИПД в случае, если настройка только при помощи инструментальных средств системы невозможна.

Интеграционная модель производственных данных. ИМПД является важным элементом инструментальной СИПД. Цель ее создания – отразить структуру объектов конкретной компании, сформировать единый реестр производственных объектов, которые необходимо задействовать в процессе интеграции всех ИС компании по данным. Модель позволяет сделать процесс обмена данными между ИС компании простым и прозрачным и гарантирует, что все сообщения между ИС будут правильно поняты и интерпретированы. Наличие ИМПД значительно сокращает количество адаптеров, интегрирующих ИС, и позволяет вместо связи друг с другом через «дорогие» парные адаптеры обеспечить связь через общую модель данных. В каждой ИС существует своя интерпретация предметной области, в связи с этим задача сопоставления сущностей разных ИС при их интеграции является достаточно сложной.

ИМПД также должна обладать возможностью неограниченного расширения множества сущностей и атрибутов, описывающих предметную область компании. Одним из способов, позволяющих реализовать это требование, является использование предметно-ориентированных метаданных. Метаданные обеспечивают необходимую гибкость ИМПД, позволяющую легко адаптировать отраслевую инструментальную СИПД к потребностям любой компании.

Для создания базовой ИМПД был использован подход, называемый «сущность–атрибут–значение» (англ. EAV, Entity–Attribute–Value model), базирующийся на принципе метаописания сущностей, их атрибутов и значений. Этот подход обеспечивает:

во-первых, гибкость модели. Представим, что необходимо постоянно добавлять новые атрибуты к уже существующим, для этого придется каждый раз изменять структуру базы данных. В случае EAV-модели схема базы данных при изменении модели не меняется. Это означает, что EAV-модель более динамична по сравнению с традиционной реляционной моделью. Отсутствуют ограничения на количество атрибутов сущностей, число параметров может расти в процессе развития модели без изменения схемы базы данных;

во-вторых, эффективность хранения. EAV-модель содержит набор сущностей (entities) и набор атрибутов, связанных с этими сущностями. Некоторые и даже большинство значений атрибутов могут отсутствовать. Можно представить сущность, содержащую до сотни и даже тысячи атрибутов. Если хранить запись экземпляра (instance) сущности в таблице реляционной базы данных, то таблица должна содержать сотни столбцов, причем значения большинства из них могут отсутствовать, что является неэффективным способом хранения данных.

Программное обеспечение инструментальной СИПД и её апробация. На основе сформулированных выше принципов создания инструментальной СИПД, а также предложенной ее обобщенной архитектуры была разработана структура базового ПО этой системы (рис. 2).

Рис. 2. Схема структуры базового ПО инструментальной СИПД

Интеграцию ИС по технологическим данным, имеющим специфику, следует выделить как отдельную и очень важную задачу. ОРС-адаптер, обеспечивающий доставку технологических данных в ядро инструментальной СИПД, должен быть единым для всех АСУ ТП. С этой целью нами использовался стандарт OPC (OLE for Process Control) для сбора и передачи технологических данных. OPC является технологией, обеспечивающей универсальный механизм обмена данными, который устанавливает требования к классам объектов доступа к данным и их специализированным интерфейсам. Во многих случаях в соответствии со стандартами информационной безопасности локальные вычислительные сети (ЛВС) компании разделены на технологические и офисные. Технологическая сеть объединяет датчики, контроллеры и другое оборудование АСУ ТП, с помощью которого производится сбор технологических данных. Офисная сеть обеспечивает пользователям доступ к данным ИС класса ERP и т.п. Доступ к технологическим данным из офисной ЛВС должен осуществляться через OPC-сервер, расположенный в пределах технологической сети.

С учетом особенностей стандарта OPC и необходимости обеспечения информационной безопасности ОРС-серверов технологических сетей нами предложен новый способ сбора и передачи технологических данных [6]. Именно он позволяет использовать единый ОРС-адаптер инструментальной СИПД для различных АСУ ТП.

Ключевой особенностью такого способа, обеспечивающей в первую очередь информационную безопасность передаваемых данных, является использование сервисноориентированной и двухзвенной архитектуры разрабатываемого на его основе программного продукта. Двухзвенная архитектура программного средства, названного ОРС-клиент, предполагает, что передающая его часть находится в технологической ЛВС, т.е. вместе с OPC-сервером. Сбор технологических данных с OPC-сервера в технологической сети производится по спецификации OPC DA, так как она поддерживается большинством OPC-серверов АСУ ТП, используемых во многих компаниях. Другая часть ОРС-клиента (вебсервис, выполняющий функцию приемника данных в XML-формате) и ОРС-адаптер, отвечающий за доставку данных в ядро СИПД, находятся в офисной ЛВС. Таким образом, принимающий данные вебсервис представляет собой «пассивный» интерфейс, т.е. все действия инициируются передающей частью, расположенной в технологической сети. Это способствует усилению информационной безопасности, т.к. исключает доступ в технологическую сеть.

На основе базового ПО инструментальной СИПД была разработана отраслевая инструментальная СИПД для компаний нефтегазовой отрасли. ИМПД такой отраслевой системы основывается на стандарте моделей данных PRODML, являющемся наиболее зрелым стандартом для нефтегазовой отрасли [5]. Схема данных в рамках этого стандарта описывает практически все производственные данные, используемые в бизнес-процессах нефте(газо)добывающих компаний. Особенности этой отраслевой СИПД описаны в [6].

Апробация такой инструментальной СИПД осуществлялась путем адаптации ее к специфике компаний ОАО «Востокгазпром» и ОАО «Томскгазпром» и создания с помощью полученных конкретных инструментальных систем ЕИП каждой из компаний. Отметим, что эти компании имеют довольно большое число подлежащих интеграции ИС: ERP – системы MS Axapta 3.0 и MS Ax2009, играющие в компаниях роль КИС, ИС оперативного управления производством добычи и подготовки углеводородного сырья, специализированные ИС обработки и интерпретации геолого-геофизических данных и т.п. Для каждого участника интеграции был разработан адаптер, с помощью которого он подключался к ядру СИПД. Для доставки с промыслов технологических данных с АСУ ТП, использующих SCADA (RS3, ROC, DeltaV, Simatic и т.д.) различных производителей, разработаны ОРС-клиенты и единый ОРС-адаптер. Благодаря этому ежедневно обеспечивается доставка на верхние уровни управления более 12 тысяч значений технологических параметров каждой компании.

В заключение следует отметить, что проблема создания ЕИП сегодня актуальна для многих промышленных компаний, активно занимающихся автоматизацией производства. Мы предлагаем решать ее с помощью отраслевых инструментальных систем интеграции по производственным данным действующих в компаниях ИС. Положительные результаты разработки и апробации таких инструментальных систем для нефтегазовой отрасли подчеркивают эффективность этого подхода.

Автор выражает благодарность сотрудникам Томского политехнического университета к.т.н. В.В. Вейберу и к.т.н. А.В. Кудинову за помощь в практической реализации инструментальных СИПД.

НИР финансировалась в рамках госзадания «Наука», тема № 4.1316.20М.

Литература

1. Марков Н.Г., Сарайкин А.В. Формирование единого информационного пространства газодобывающей компании // Oil & Gas Journal. Russia. 2008. №3 (16). С. 34–41.

2. White C. Data Integration: Using ETL, EAI and EII Tools to Create an Integrated Enterprise // DMReview. 2005. № 11. P. 25–53.

3. Microsoft Biz Tolk Servert // Microsoft Product. 2011. URL: www.microsoft.com/Rus/biztalk (дата обращения 28.04.2014).

4. Браун К., Крейг Г., Хестер Г.И. Создание корпоративных Java-приложений для IBM Web Sphere. М.: Кудиц-пресс, 2005.

5. Вейбер В.В., Кудинов А.В., Марков Н.Г. Интеграция информационных систем предприятия на основе отраслевого стандарта и принципов SOA // Программная инженерия. 2012. № 2. С. 41–47.

6. Кудинов А.В., Марков Н.Г. Проблемы автоматизации производства газодобывающих компаний. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012.

_____________________________

МАРКОВ Николай Григорьевич

Доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой вычислительной техники Национального исследовательского Томского политехнического университета

---

&copy Информационное общество, 2014 вып. 3, с. 53-62.