Полный текст

Введение. В современном мире тенденция роста объемов информации наблюдается на протяжении нескольких десятилетий. Внедрение цифровых технологий [1] в отрасли экономики, традиционно считающиеся нецифровыми, приводит к резкой загрузке имеющихся вычислительных мощностей и самих каналов передачи информации. По оценкам специалистов ведущих ИТ-компаний, в течение суток создается около 1018 байт данных, что многократно превышает объем всей накопленной человеком информации до XXI века. Так, результаты исследований CNews Analytics и Oracle показывают, что на 2014 г. в России было накоплено 155∙1018 байт информации, что составило 1,8 % от мировых данных, а к 2020 г. прогнозируется, что объем информации достигнет 980∙1018 байт и займет 2,2 %. Таким образом, средний темп роста объема информации в России составляет 36 % в год. Большие данные - это набор подходов, методов обработки и инструментов для обработки объемов структурированной и неструктурированной информации, отличающихся многообразием и возможностью передачи скрытых причинно-следственных связей [2-8]. На сегодняшний день основной целью использования больших данных в промышленности и энергетике является повышение эффективности работы сложных и распределенных систем на основе широкомасштабного учета потребления ресурсов, мониторинга технического состояния оборудования и узлов, выявления неисправностей, контроля качества энергии, оптимизации расходов, улучшения точности прогнозирования режимов работы, минимизации рисков компаний и др. Основные направления больших данных представлены на рис. 1. Общая интенсификация информационных потоков обусловливает появление новых информационных систем управления для различных секторов экономики, включая промышленность, энергетику, городское хозяйство, инфраструктуру и др. Существующие информационные технологии хранения и обработки данных, ориентированные на медленно растущие объемы, нуждаются в развитии. Актуальны проблемы создания гибких и масштабируемых архитектур информационных систем, осуществляющих сбор, систематизацию, визуализацию, анализ и принятие решений в условиях больших объемов информации (больших данных) и их непрерывного роста [9, 10]. Рис. 1. Основные направления больших данных 1. Стандарты в области больших данных. Над стандартами в области больших данных работают крупные институты, а именно: Международная организация по стандартизации и Международная электротехническая комиссия (ISO/IEC), Международный союз электросвязи (ITU), Британский институт стандартов (BSI), Национальный институт стандартов и технологий (NIST). Международной организацией по стандартизации и Международной электротехнической комиссией (ИСО/МЭК) были созданы 3 рабочие группы, которые ориентированы на стандартизацию технологий [11-17]: 1) больших данных (ISO/IEC JTC1/WG 9 «Big data»); 2) интернет-вещей (ISO/IEC JTC1/WG 10 «Internet of Things»); 3) умных городов (ISO/IEC JTC1/WG 11 «Smart Cities»). На рис. 2 представлены области активности больших данных, которые отмечаются в ITU [14]. Рис. 2. Области активности больших данных NIST предлагает более проработанный Фреймворк по большим данным. NIST Big Data Interoperability Framework V1.0 включает в себя компоненты, которые представлены на рис. 3 [17]. Рис. 3. Компоненты NIST Big Data Interoperability Framework V1.0 В документе «Систематика» больших данных представляется готовая базовая модель [16] (рис. 4). 2. Аналитика рынка больших данных и IT-продуктов. На рынке больших данных активно ведут себя как крупные ИТ-предприятия, такие как IBM, HP, DELL. Также известны новые компании, например: Neo Technology, Sumo Logic, Cloudera и др. Несмотря на то, что доходы крупных разработчиков программных продуктов от больших данных занимают всего 1 %, их доля на рынке в 2016 г. была высока. Это подтверждается исследованием UMBEL, в соответствии с которым 46 % компаний инвестируют в услуги, 41 % - в ПО, 13 % - в аппаратное обеспечение [18]. Рис. 4. Ссылочная модель от NIST Основными поставщиками услуг и ПО для работы с большими данными являются: SAP, Oracle, IBM, Microsoft, Teradata, Pivotal (EMC), SAS, HP Vertica, Cloudera, Google, Amazon Wed Service. Они занимаются продажей специализированных СУБД и сопутствующего аналитического программного обеспечения. Из-за того, что внедрение этих продуктов требует высокой квалификации сотрудников, многие компании предпочитают использовать внешних системных интеграторов и IT-консультантов. Компания IDC оценивает российский рынок больших данных в 340 млн $, из них 100 млн $ составляют решения SAP, а остальные 240 млн $ составляют аналогичные решения Oracle, IBM, SAS, SAP, Microsoft и др. Так, например, Oracle, начиная с 2015 г., активно внедряет программно-аппаратный комплекс Oracle Big Data Appliance X5, который успешно интегрирован в FORS Solution Center, предназначенный для обучения новым технологиям и создания пилотных проектов в России. На рис. 5 показаны сферы применения больших данных в промышленности и энергетике. Самым большим является клиентский сервис, а самая малая доля приходится на риск-менеджмент. На рис. 6 приведено распределение сегментов рынка больших данных. Видно, что ключевую долю рынка больших данных занимают сервисные услуги. Клиентский сервис Операционная эффективность Риск-менеджмент Сервисные услуги Программное обеспечение Оборудование Рис. 5. Сферы применения Рис. 6. Объем рынка больших данных До 2020 г. в России планируется рост числа приложений, работающих с большими данными, в энергетике, госсекторе, логистических компаниях, добывающей промышленности, но большой популярности эти технологии пользуются в банковской сфере и телекоммуникациях. По данным CNews на 2015 г. большие данные в России внедряли 24 банка, 8 компаний операторов услуг связи. Например, компания «Мегафон» запустила сервис для анализа пассажирских перевозок, который позволяет транспортным компаниям с точностью до нескольких минут анализировать пассажирский поток и подсчитать число постоянных пассажиров на любом виде транспорта. При этом доступна статистика, что большие данные используют всего 2 промышленных компании, 2 компании нефтегазовой отрасли, 1 компания, специализирующаяся на деятельности в отрасли энергетики и ЖКХ. Технологии больших данных применяются при добыче полезных ископаемых для анализа качества сырья и самих технологических процессов, оценки способов извлечения, отслеживания процесса бурения. Большие данные также используется транспортными компаниями для мониторинга парка автомобилей, учета потребления топлива, обработки заявок клиентов. Так, например, после внедрения технологий больших данных на базе продуктов SAP в компании РЖД сократились сроки подготовки отчетности в 43,5 раза (с 14,5 ч до 20 мин), повысилась точность распределения затрат в 40 раз. Большие данные внедрены в процессы планирования и тарифного регулирования [19]. На рис. 7 показано, как влияет увеличение анализируемых данных на различные процессы, протекающие на предприятии: самое большое влияние результатов анализа оказано на координацию действий подразделения. На рис. 8 представлены источники данных. Рис. 7. Результаты анализа больших данных: 1 - оперативная координация действий подразделений, 2 - точное прогнозирование потребностей, 3 - прогнозирование энергопотребления, 4 - прозрачность информации, 5 - оценка удовлетворенности персонала, 6 - снижение издержек, 7 - формирование новых сервисов Рис. 8. Источники данные: 1 - мобильные устройства и приложения, 2 - Интернет, 3 - веб-аналитика, 4 - электронная почта, 5 - IoT-счетчики и контроллеры, 6 - системы геопозиционирования, 7 - датчики RFID, 8 - цифровые сенсоры Несмотря на значительные преимущества использования больших данных при внедрении в промышленности и энергетике, возникают следующие проблемы: - ограниченное число поставщиков данных; - недостаточный объем накапливаемой информации; - нехватка квалифицированных кадров, обладающих компетенциями как в области аналитики и информационных технологий, так и в области энергетики и производств; - недоверие и закрытость компаний к данным технологиям, включая Интернет вещей - IoT [12, 20]; - привлечение внешних специалистов энергоменеджеров; - обеспечение надежного хранения и безопасности данных; - высокая сложность интеграции и стоимость внедрения. В связи с указанными проблемами внедрение технологий больших данных на практике ведется поэтапно. Активно внедряются разрозненные элементы для работы с документами как источниками данных, которые в дальнейшем могут быть интегрированы в единую систему. Начальные этапы внедрения уже пройдены в Омском филиале ТГК-11, на Курской атомной электростанции, в филиалах ООО «Газпромэнерго», в ПАО «Юнипро» (ранее в ОАО «Э.ОН Россия») и других. 3. Архитектурно-функциональная организация информационной системы для работы с большими данными в промышленности и энергетике. Развитие промышленного Интернета, Интернета вещей, средств и технологий интеллектуального анализа данных, машинного обучения, предиктивной аналитики приводит к изменениям в структуре информационных систем в промышленности и энергетике как за рубежом, так и в России [21-27]. Энергетические компании, осознавая потребность в данных технологиях, инициируют процессы функциональной интеграции по шагам. Во-первых, создается гибкая и расширяемая инфраструктура сетей, вычислений и хранения данных на отраслевом уровне [28, 29]. Инфокоммуникационная сеть должна охватывать как можно большее число участников информационного взаимодействия, источников и потребителей данных, внешних систем, описываемых открытыми архитектурами. На этом этапе создается платформа для подготовки данных к последующему анализу. Во-вторых, модернизируется управление активами и ремонтами систем генерации и энергосетей как наиболее капиталоемких секторов. Поставщиками данных выступают различные энергоучетные системы, которые вводят новые информационные каналы в систему больших данных. На основе данных о состоянии оборудования, режиме его работы, состоянии отдельных узлов, полученных от сенсоров и датчиков, производятся обработка, расчетно-статистические вычисления и анализ накопленной информации в режиме реального времени [21]. Для работы с потоками измерительной информации применяются средства хранения временных рядов, балансировки нагрузки серверных станций, технологии параллельных вычислений. Результатом работы аналитических блоков являются модели для прогнозирования спроса на энергию, а также прогноза потребления, вероятных поломок оборудования, стратегии реагирования и воздействия на устройства управления. В-третьих, технология внедряется на розничном рынке, где энергосбытовые компании собирают данные об энергопотреблении клиентов в конкретный момент времени. На основании полученных данных осуществляется контроль энергопотерь, аварийных ситуаций и принимаются решения по их предотвращению [30]. С учетом современных технологий построения распределенных приложений для работы с большими данными предложена архитектурно-функциональная организация информационной системы, ориентированная на применение в промышленности и энергетике и реализующая указанные выше этапы интеграции (рис. 9) [31, 32]. В данной схеме ключевыми блоками являются архитектура разрабатываемой системы, поставщик и потребитель данных, поставщик приложений. Архитектура системы определяет и интегрирует требуемые действия в информационной системе управления большими данными, она должна быть открытой и основанной на принципах сервисориентированных архитектур. Поставщик приложений реализует жизненный цикл управления большими данными, соответствует требованиям безопасности и конфиденциальности, а также требованиям архитектуры системы. Потребитель данных - это конечные пользователи или другие системы, которые используют результаты работы «поставщика данных». Предложенная архитектура основана на принципах работы с большими данными и обладает горизонтальной маштабируемостью, отказоустойчивостью, глобальностью. Она реализует метод MapReduce, основанный на модели распределенной обработки больших объемов данных с помощью компьютерных кластеров. Рис. 9. Архитектурно-функциональная организация информационной системы для работы с большими данными в промышленности и энергетике Функционально-алгоритмическое обеспечение, реализуемое системой с предложенной архитектурой, в результате должно включать в себя технологии по работе с большими данными, а также реализуемые расчетно-аналитические задачи (рис. 10). Благодаря применению информационной системы для работы с большими данными, построенной на базе предложенной архитектуры, возможно достижение эффективности использования актива энергокомпании или промышленных производств и снижение стоимости владения. В компаниях энергораспределительного комплекса, по данным проектов SAP, резервы составляют порядка 20 %. Рациональная работа с данными позволит снизить аварийность. Рис. 10. Технологии обработки больших данных Выводы. В данной статье были рассмотрены стандарты применения больших данных, области применения, направления, технологии и методы для работы с большим объемом информации, свойственным современным киберфизическим системам. После анализа объема рынка больших данных 40 % всего объема составляют сервисные услуги. Большие данные могут применяться для сбора данных с интеллектуальных датчиков, для возможности прогнозирования рынков электроэнергии и для работы с информацией о чрезвычайных ситуациях в энергетике. На основе ссылочной модели от NIST была построена архитектурно-функциональная организация информационной системы для работы с большими данными.

Об авторах

А. В Кычкин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Я. И Квитко

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 77

PDF (Russian) - 14

Ссылки

• Ссылки не определены.