Методы, модели и алгоритмы управления адаптивными системами природно-технического мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Логвинов Илья Валентинович

• Логвинов Илья Валентинович
• доктор наук
• 2023

Оглавление диссертации доктор наук Логвинов Илья Валентинович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Анализ процессов и систем природно-технического мониторинга в условиях неопределённости при высокой интенсивности изменений внешних условий

1.1 Многофункциональные автоматизированные системы природно-технического мониторинга

1.2 Функциональная пригодность как целевой показатель адаптивных систем природно-технического мониторинга

1.3 Обзор известных подходов к анализу и синтезу адаптивных систем природно-технического мониторинга

1.4 Проблема анализа и адаптивного управления перестраиваемыми многофункциональными автоматизированными системами в условиях

неопределенности

Выводы по главе

ГЛАВА 2 Структурно-функциональный подход к организации адаптивных систем природно-технического мониторинга

2.1 Модель процесса адаптации системы природно-технического мониторинга в процессе функционирования

2.2 Основные положения структурно-функционального подхода к организации адаптивных автоматизированных систем мониторинга

2.3 Оценка эффекта структурно-функционального управления адаптацией

многофункциональных АС в условиях неопределенности

Выводы по главе

ГЛАВА 3 Теоретические основы анализа сервис-ориентированных многофункциональных систем природно -технического мониторинга

3.1 Проблема анализа адаптивных систем природно-технического мониторинга

3.2 Развитие теоретических основ анализа адаптивных систем природно -технического мониторинга

3.2.1 Свойства многофункциональных систем природно-технического мониторинга

3.2.2 Основные положения теоретических основ анализа адаптивных систем природно-технического мониторинга

3.3 Анализ многофункциональных автоматизированных систем с использованием сервис-ориентированных моделей

3.3.1 Модель организации адаптивных систем природно-технического мониторинга на основе сервис-ориентированного подхода

3.3.2 Сервис-ориентированная модель функционального компонента мониторинга

3.3.3 Метод анализа сервис-ориентированных перестраиваемых систем природно-технического мониторинга

3.4 Анализ динамики изменения природно-технических сред и требований назначения систем мониторинга

3.4.1 Анализ изменения требований назначения адаптивных автоматизированных систем

3.4.2 Обоснование показателя изменения требований назначения систем природно-технического мониторинга

Выводы по главе

ГЛАВА 4 Модель процесса функционирования адаптивных систем природно -технического мониторинга

4.1 Моделирование процессов функционирования автоматизированных систем природно-технического мониторинга на основе теории полумарковских процессов

4.1.1 Проблема моделирования развивающихся автоматизированных систем мониторинга в условиях неопределенности

4.1.2 Полумарковская модель процесса функционирования автоматизированной системы мониторинга

4.1.3 Применение модели процесса функционирования МФ АСптМ для оценки вероятностно-временных характеристик при изменении требований мониторинга

4.2 Модель потока заявок на изменение назначения системы природно -технического мониторинга

4.3 Модель процесса функционирования адаптивных автоматизированных систем природно-технического мониторинга на основе управляемых систем массового обслуживания

4.3.1 Проблема моделирования процесса обработки заявок в реконфигурируемых автоматизированных системах мониторинга

4.3.2 Модель обслуживания заявок в МФ АС на основе BMAP/G/N/ô

4.3.3 Анализ процессов функционирования адаптивных МФ АСптМ на основе управляемых СМО

Выводы по главе

ГЛАВА 5 Метод сбора и обработки данных об изменении процесса природно -технического мониторинга

5.1 Проблема сбора и обработки данных об изменении природно-технической среды

5.1.1 Обзор подходов к мониторингу изменения назначения автоматизированных систем

5.1.2 Обзор подходов к диагностированию функциональной пригодности многофункциональных автоматизированных систем

5.1.3 Проблема диагностирования функциональной пригодности автоматизированных систем природно-технического мониторинга

5.1.4 Модель неопределенности состояния и назначения автоматизированной системы природно-технического мониторинга

5.2 Основные положения метода сбора и обработки данных об изменении процесса природно-технического мониторинга

5.3 Организация перестраиваемой диагностической модели при управлении адаптивными АСптМ

5.3.1 Анализ проблемы организации моделей управляемого объекта в процессе управления многофункциональными АС

5.3.2 Интегрированная технологическая модель для управления жизненным циклом многофункциональных АС мониторинга

5.3.3 Поддержка технологических моделей при управлении МФ АСптМ

5.4 Меры повышения эффективности сбора данных мониторинга

5.4.1 Извлечение данных об изменении структуры функциональных задач из журналов событий

5.4.2 Подход к извлечению данных о новых требованиях из нормативных и регулирующих документов

5.4.3 Перестраивание системы мониторинга ПТС в ходе эволюции автоматизированной системы

5.5 Меры повышения эффективности обработки данных в АСптМ

5.5.1 Применение нечетких оценок для снижения неопределенности

5.5.2 Колеблющиеся во времени нечеткие наборы лингвистических оценок

5.5.3 Алгоритм идентификации состояния МФ АСптМ по зашумленным неполным данным

5.6 Оценка влияния эффектов совершенствования метода сбора и обработки

данных на функциональную пригодность МФ АСптМ

Выводы по главе

ГЛАВА 6 Метод управления адаптивными системами природно -технического

мониторинга

6.1 Метод управления адаптивными системами природно -технического мониторинга

6.2 Способ принятия решения для МФ АСптМ при неполноте системы критериев

6.2.1 Проблема принятия решения в условиях неопределенности

6.2.2 Интегральный критерий принятия решений для управления адаптивными АСптМ в условиях неопределенности

6.2.3 Применение способа принятия решения при управлении МФ АСптМ в условиях неопределенности

6.2.4 Учет неопределенности продолжительности модернизации при принятии решений

6.2.5 Учет неполноты функциональных требований при принятии решений на реконфигурацию МФ АСптМ

6.3 Структурно-функциональная оптимизация автоматизированных систем природно-технического мониторинга

6.3.1 Проблема структурно-функциональной оптимизации автоматизированных систем мониторинга в условиях неопределенности и непрерывных изменений

6.3.2 Алгоритмическое обеспечение решения задач оптимизации АСптМ

6.3.3 Сравнительный анализ эффективности структурно-функционального способа оптимизации многофункциональных систем мониторинга

6.4 Способ адаптации перестраиваемых МФ АСптМ в условиях неопределённости изменения функционального предназначения и ресурсного обеспечения

6.4.1 Проблема управления перестроением МФ АС в условиях неопределенности изменения предназначения и ресурсного обеспечения

6.4.2 Алгоритмическое обеспечение процесса адаптации МФ АСптМ на основе управления источниками ресурсов

6.4.3 Оценка применимости способа адаптации МФ АСптМ

Выводы по главе

ГЛАВА 7 Информационная поддержка и оценивание эффективности автоматизированных систем природно-технического мониторинга

7.1 Проблема оценивания качества многофункциональных автоматизированных систем природно-технического мониторинга

7.1.1 Этапы оценивания проектов модернизации автоматизированных систем

7.1.2 Обзор механизмов оценивания качества МФ АСптМ

7.1.3 Задачи оценивания качества МФ АСптМ в условиях неопределенности

7.2 Моделирование динамики изменяемых нечетких предпочтений в требованиях к мониторингу на основе теории темпоральной полезности

7.2.1 Анализ применимости теории темпоральной полезности объектов при решении задач оценивания качества систем мониторинга

7.2.2 Основные положения теории темпоральной полезности и ее применение при оценке качества АСптМ

7.3 Общие положение способа оценивания качества многофункциональных систем мониторинга при неопределенности изменения задач мониторинга

7.3.1 Обобщенный алгоритм оценивания качества ФКМ АСптМ

7.3.2 Иерархическая модель оценивания качества проектов модернизации при адаптивном управлении МФ АСптМ

7.3.3 Алгоритм прогнозирования качества ФК АСптМ

7.4 Информационное обеспечение процесса управления МФ АСптМ

7.4.1 Проблема унификации информационного описания сервис-ориентированных автоматизированных систем мониторинга

7.4.2 Контекстно-зависимые преобразования спецификационных описаний МФ АС

7.4.3 Интегрированная система спецификации АСптМ в процессе жизненного цикла

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список иллюстративного материала

Список рисунков

Список таблиц

Приложение А Стандарты системной инженерии

Приложение Б Имитационные модели процесса функционирования АСптМ

Приложение В Результаты эксперимента по оценке эффективности механизма планирования FMT

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы, модели и алгоритмы управления адаптивными системами природно-технического мониторинга»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования определяется тем, что изменения природно-технических сред и целей их мониторинга требует создания и поддержания непрерывно перестраиваемых многофункциональных систем мониторинга. Развитие технологий автоматизации позволило создавать крупномасштабные многофункциональные системы мониторинга: геотехнического мониторинга природной среды и инженерно-технических объектов; экологического мониторинга промышленно-транспортного комплекса; функционального мониторинга транспортных систем; мониторинга общественной безопасности в системах «безопасный город» и многие другие. Решение задач автоматизированного мониторинга в системах подобного класса характеризуется одновременным применением различных средств мониторинга, изменением природно-технической среды, включая появление новых объектов, изменением целей, задач и приоритетов мониторинга. Таким образом, автоматизированная система природно-технического мониторинга должна подстраиваться под изменения условий применения, то есть обладать свойством перестраиваемости или адаптивности.

Анализ систем природно-технического мониторинга показывает значительное ускорение процессов изменения условий применения и высокую величину их неопределенности. Типовые схемы и методы управления перестроением систем природно-технического мониторинга в рамках процессов внешнего проектирования имеют большую задержку в выработке управляющих воздействий (от нескольких недель до нескольких лет). Таким образом, известные методы не позволяют синтезировать эффективные перестраиваемые в процессе функционирования системы природно-технического мониторинга - наблюдается резкое снижение целевых показателей эффективности мониторинга при ограниченных ресурсах.

Анализ современного состояния фундаментальных и прикладных работ показывает, что в режиме реального времени известный аппарат не обеспечивает

достаточного уровня снижения неопределенности при поддержке принятия решений на перестроение систем природно-технического мониторинга, либо время реакции на изменения превышает интервал между ними, что приводит к нецелесообразному использованию ограниченных ресурсов. Известные подходы по выявлению изменяемых требований к системе мониторинга ориентированы на процедуры внешнего проектирования. Актуальность выявленной проблемы подтверждается ее включение в целеполагающую нормативную базу научно -технических исследований Российской Федерации. Концепция развития регулирования отношений в сфере технологий искусственного интеллекта и робототехники (от 19 августа 2020 г.) устанавливает необходимость совершенствования научно-технической базы синтеза сложных адаптивных систем мониторинга. Программа «Цифровая экономика Российской Федерации» (от 28 июля 2017 г.) показывает необходимость совершенствования механизмов управления адаптивными системами (дорожная карта «Новые производственные технологии», направление «Умное производство»).

Степень разработанности темы исследования характеризуется достаточно развитым арсеналом методов и средств построения адаптивных автоматизированных систем мониторинга, включая аппарат анализа, синтеза и управления адаптивными многокомпонентными системами. Предложены методы управления системной и структурной динамикой, структурно-функционального управления. Также могут быть использованы подходы синтеза оптимальных структур автоматизированных систем: «сверху» - структуризации и декомпозиции и «снизу» - морфологический, информационный, кибернетический, когнитивный, ситуационный, структурно-лингвистический подходы.

Формированию структур целей многофункциональных технических систем и процессов их организации посвящены работы Лукьяновой Л.М., Новикова Д.А., Губко М.В., Юсупова Р.М., Петухова Г.Б., Акоффа Р. Задачи математического описания и моделирования сложных технических систем рассмотрены в исследованиях Новикова Д.А., Тихонова В.И., Волковой В.Н., Денисова А. А.,

Гаскарова Д.В., Рыкова В.В., Павлова В.В., Советова Б.Я., Цапко Г.П., Клименок В.И. Методы управления системами в условиях неопределенности рассмотрены в работах Прангишвили И.В., Макарова И.М., Поспелова Д.А., Арнольда В.И., Цвиркуна А.Д., Соколова Б.В., Охтилева М.Ю., Павлова А.Н., Хоменко Т.В., Гейда А.С., Jennings N. R., Karuna H., Chan S., Zhang F. Методы применения интеллектуальных технологий для решения задач управления адаптивными системами рассмотрены в работах В.В. Борисова, В.В. Круглова, Л.А. Расстригина, А.С. Позняка, Л.А. Тулупьева, Б.Г. Литвака. Подходы к решению проблем реконфигурации изменяющихся во времени систем рассмотрены в работах H. Agt, S. Ali, I. Alloush, R. Z. Frantz, V. Kovanovic, I. Gerostathopoulos. Подходы к управлению изменением требований рассмотрены в работах Chua B, Verner J., Jayatilleke S., Lay R. Изменением значимости процессов для достижения целей управления и альтернатив принятия решений рассмотрены в работах Белых А.А., Gerber A., Rohde K, Buyya R.

Анализ известных работ показывает наличие двух неразрешенных моментов при построении перестраиваемых систем природно-технического мониторинга: неопределенность и неполнота данных об изменении объекта и целей мониторинга.

Научная проблема исследования: значительное снижение эффективности многофункциональных систем природно-технического мониторинга при увеличении интенсивности изменения объекта и целей мониторинга в условиях неопределенности. Известные методы анализа, синтеза и управления системами природно-технического мониторинга не учитывают неопределенность непрерывного изменения объектов мониторинга, что приводит к запаздыванию реакций на перестроение многофункциональных систем мониторинга. Решаемая в диссертационных исследованиях научная проблема соответствует паспорту специальности 2.3.3 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами.

Объект исследования: адаптивные многофункциональные системы природно-технического мониторинга.

Предмет исследования: методы, модели и алгоритмы организации и управления адаптивными многофункциональными системами природно-технического мониторинга.

Цель исследования: обеспечение эффективности мониторинга природно-технических систем при изменении целей, объекта и ресурсов мониторинга за счет развития теоретических положений и разработки методов управления адаптивными многофункциональными системами природно -технического мониторинга в условиях неопределенности.

Для достижения цели исследования решены следующие задачи:

1. Анализ процессов автоматизированного мониторинга в условиях изменения природно-технической среды, целей и приоритетов мониторинга.

2. Обоснование подхода к организации адаптивных систем природно-технического мониторинга, учитывающего неопределенность и неполноту данных об изменениях условий применения.

3. Разработка моделей описания и функционирования многофункциональных систем природно-технического мониторинга при неопределенности изменения условий применения.

4. Разработка моделей и механизмов сбора и обработки неполных и неопределенных данных об изменении условий природно-технического мониторинга.

5. Разработка метода управления адаптивными системами природно -технического мониторинга в условиях неопределенности.

6. Разработка алгоритмического обеспечения анализа и синтеза адаптивных систем природно-технического мониторинга в условиях неопределенности и неполноты исходных данных.

Научная новизна состоит в развитии научных основ, алгоритмического обеспечения, методов, моделей и алгоритмов управления адаптивными системами природно-технического мониторинга путем учета особенностей изменения процесса, объекта и целей мониторинга, нечеткости и неполноты информации об объекте мониторинга за счет анализа изменений требований в режиме реального

времени, повышения ситуативной осведомленности и системотехнической поддержки на всем жизненном цикле. Основное содержание научной новизны:

1. Структурно-функциональный подход к организации адаптивных систем природно-технического мониторинга в условиях неопределённости и высокой интенсивности изменений объекта и целей мониторинга, базирующийся на положениях адаптивного управления, отличающийся учетом неопределенности факторов изменения внешней среды и объекта с использованием нечетких темпоральных моделей.

2. Модель организации адаптивных систем природно-технического мониторинга, базирующаяся на методе сервис-ориентированного морфологического моделирования, отличающаяся совместным моделированием изменения требований и свойств системы с использованием темпоральных иерархий.

3. Модель процесса функционирования адаптивных систем природно-технического мониторинга, базирующаяся на теории систем массового обслуживания с управляемыми обслуживающими приборами, отличающаяся учетом динамики изменения функциональной структуры.

4. Метод анализа сервис-ориентированных адаптивных систем природно-технического мониторинга, базирующийся на методологии системного анализа, отличающийся учетом динамики объекта мониторинга и неопределенности целей и условий применения.

5. Метод сбора и обработки данных об изменении процесса природно-технического мониторинга, базирующийся на методе построения перестраиваемых информационных процессов, отличающийся изменением границ объекта мониторинга и перестроением его модели по результатам наблюдений с использованием колеблющихся во времени нечетких наборов лингвистических оценок.

6. Процессно-ориентированный метод управления адаптивными системами природно-технического мониторинга, базирующийся на методологиях процессного управления и информационной поддержки жизненного цикла,

отличающийся учетом неопределенности интенсивности применения и ресурсоотдачи подсистем мониторинга в форме нечетких функций принадлежности.

7. Алгоритмическое обеспечение анализа и синтеза адаптивных систем природно-технического мониторинга, базирующееся на методах стохастической оптимизации, отличающееся учетом неопределенности и неполноты исходных данных об изменении условий и целей мониторинга.

Теоретическая значимость работы:

- рассмотрены системные свойства многофункциональных систем природно-технического мониторинга на основе анализа типичных представителей; выявление общих черт как в объекте, так и в процессе управления, обусловленных неопределенностью и неполнотой исходных данных вследствие опережающей динамики изменения внешних условий, позволило выделить подкласс сложных систем - многофункциональные автоматизированные системы природно-технического мониторинга с изменяемыми неполными требованиями;

- представлен структурно-функциональный подход к организации адаптивных систем природно-технического мониторинга в условиях неопределённости и высокой интенсивности изменений объекта и целей мониторинга;

- изложены научные основы развития методологии анализа и синтеза адаптивных многофункциональных автоматизированных систем мониторинга в условиях неопределенности за счет одновременного учета изменений объекта и целей мониторинга, неопределенности целевых критериев и неполноты исходных данных;

- констатируется, что учет системных особенностей эволюционирующих природно-технических систем позволяет модифицировать методы анализа и синтеза их систем мониторинга с целью обеспечения их функциональной пригодности путем использования: аппарата темпоральных иерархий - для описания функций и требований к перестраиваемым системам мониторинга;

нечетких функции принадлежности и колеблющихся нечетких наборов лингвистических оценок - для учета фактора неопределенности; теории темпоральной полезности - для учета изменения целей и значимости мониторинга; теории принятия решений в условиях неполной информации - для учета неполноты данных.

Практическая значимость работы состоит в реализации на практике теоретических результатов для обоснования требований при построении многофункциональных систем природно-технического мониторинга. Разработанные инструментальные средства позволили решать комплекс задач: сбора данных и мониторинга об изменении природно-технических систем (геотехнический, гидрогеологический, геодинамический мониторинг) на основе модели управляемого объекта; анализа и оценки пригодности автоматизированных систем природно-технического мониторинга в условиях неполноты требований; синтеза адаптивных систем природно-технического мониторинга.

Разработанные на основе результатов исследований программы для ЭВМ автоматизируют задачи сбора данных, мониторинга, оценки состояния и пригодности проектов систем мониторинга, поддержки принятия решений и управления. Полученные в ходе исследования результаты использованы в работе ряда предприятий и организаций, что подтверждается соответствующими актами о внедрении результатов диссертационного исследования. Результаты диссертационного исследования успешно внедрены в рамках деятельности ФГУП «НТЦ «Орион» (г. Москва), АО «Рекурсив» (г. Орел), АО «НПП «Звукотехника» (г. Муром), ООО «ИТ Концепт» (г. Орел), ООО «ТехАргос» (г. Москва), ООО «СКБ ИТ» (г. Орел), НИУ «БелГУ» (г. Белгород), АО НТЦ «Радуга» (г. Москва).

Методология и методы диссертационного исследования: для решения поставленных задач в работе использована методология системного анализа, исследование операций, информационное моделирование, адаптивное управление, теория полезности, оптимальные иерархические структуры, системотехника, управление проектами и портфелями проектов, теория

организации, управление требованиями, теория виртуальных организаций, теория графов, системная динамика, сервис-ориентированное проектирование, стохастическая оптимизация.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структурно-функциональный подход к организации адаптивных систем природно-технического мониторинга в условиях неопределённости и высокой интенсивности изменений объекта и целей мониторинга.

2. Модель организации адаптивных систем природно-технического мониторинга.

3. Модель процесса функционирования адаптивных систем природно-технического мониторинга.

4. Метод анализа сервис-ориентированных адаптивных систем природно-технического мониторинга.

5. Показатель интенсивности изменения требований назначения адаптивных систем природно-технического мониторинга.

6. Метод автоматизированного сбора и обработки данных об изменении процесса природно-технического мониторинга.

7. Метод управления адаптивными системами природно-технического мониторинга.

8. Алгоритмическое обеспечение анализа и синтеза адаптивных систем природно-технического мониторинга.

Степень достоверности результатов диссертационного исследования обусловлена адекватностью применяемого математического аппарата системного анализа и оценивания эффективности, корректностью математических преобразований, всесторонним анализом состояния предметной области, отсутствием противоречий с известными положениями теории и практики управления процессами автоматизации мониторинга и подтверждается результатами имитационных вычислительных экспериментов и экспериментальными исследованиями, положительным опытом внедрения на

нескольких предприятиях. Теоретические решения согласованы с их практической реализацией.

Апробация результатов диссертационного исследования:

Полученные в рамках работы результаты проверены в ходе практической деятельности и в рамках научных исследований при разработке, проектировании и модернизации автоматизированных многофункциональных системах различного класса. Основные положения и результаты работы представлены на международных, всероссийских и межведомственных научных конференциях:

1. XXVII-th International Open Science Conference «Modern informatization problems in the technological and telecommunication systems analysis and synthesis» (MIP-2022'AS), Yelm, WA, USA, ноябрь 2021 - январь 2022, «The problem of the functional development control of multifunctional information systems under uncertainty».

2. X международная научно-практическая конференция «Развитие науки и практики в глобально меняющемся мире в условиях рисков», Москва, 25 апреля 2022, «Проблема изменения функционального назначения автоматизированных систем природно-технического мониторинга».

3. II Международная научно-практическая конференция «Развитие современных технологий: теоретические и практические аспекты», Петрозаводск, 5 мая 2022, «Проблема моделирования процесса обработки заявок на реконфигурацию киберфизических систем мониторинга».

4. III International conference on advanced technologies in materials science, mechanical and automation engineering MIP: engineering-III-2021, Красноярск, Российская Федерация, 29-30 апреля 2021, «Resource planning algorithm for reconfigurable information system development in the case of several sources of resource».

5. IV Международная научно-практическая конференция «Современные технологии: тенденции и перспективы развития», Петрозаводск, 7 июня 2022, «Многофункциональные автоматизированные системы природно-технического мониторинга».

6. 12-я всероссийская научно-техническая конференция «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов», Пенза-Заречный, 3-5 октября 2018, «Проблемы разработки требований к системам безопасности в условиях повышения их системной сложности».

7. АТЮ 2022: Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция «Промышленность 4.0 в России: технологии, материалы, опыт внедрения», Барнаул, 6 июля 2022, «Подход к адаптивному управлению перестраиваемыми многофункциональными киберфизическими системами в условиях неопределенности».

8. V юбилейная всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Вызовы цифровой экономики: импортозамещение и стратегические приоритеты развития», Брянск, 20 мая 2022, «Имитационное моделирование процессов функционирования перестраиваемых киберфизических систем».

Связь с научными и инновационными программами: результаты диссертационного исследования были использованы при выполнении ряда инновационных исследований:

1. Государственное задание FZWG-2020-0029 «Разработка теоретических основ построения информационно-аналитического обеспечения телекоммуникационных систем геоэкологического мониторинга природных ресурсов АПК».

2. Грант РФФИ №18-48-310025р_а «Исследование и разработка методики автоматизированного комплексного геотехнического мониторинга в зонах активного проявления экзогенных процессов на основе применения фазометрических инклинометрических систем».

3. Государственное задание 5.3606.2017/ПЧ «Разработка технологии раннего обнаружения и прогнозирования чрезвычайных ситуаций в природно-технических системах на основе автоматизированной совместной обработки разнородных данных геодинамического и геотехнического мониторинга локального и местных уровней».

4. Государственное задание НИУ «БелГУ» FZWG-2020-0034 «Исследование и разработка комплексных энергосберегающих охлаждающих и термоэлектрических регенеративных систем».

Публикации: результаты диссертационного исследования опубликованы в 72 работах общим объемом 40,6 п.л.; личный вклад автора составляет 28,2 п.л.; основные из них - 42 работы общим объемом 28,1 п.л., личный вклад автора составляет 19,7 п.л.

Личный вклад соискателя: Все изложенные в диссертации результаты исследования получены либо соискателем лично, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 422 наименований, списка иллюстративного материала и трех приложений, в которых приведены результаты экспериментов.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ ПРИРОДНО -ТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА В УСЛОВИЯХ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ ПРИ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗМЕНЕНИЙ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ

Расширение сферы автоматизации, формирование распределенных автоматизированных систем природно-технического мониторинга в различных сферах деятельности человека изменяют характер и способы организации и управления таких систем. Современные автоматизированные системы природно -технического мониторинга являются многофункциональными - то есть реализуют автоматизированный мониторинг различными средствами и способами. С другой стороны, способ их построения может быть различен: это могут быть как монолитные системы на основе единой платформы, так и множество взаимодействующих технических систем, для функционирования которых должны быть решены вопросы согласованного взаимодействия. Использование монолитных автоматизированных систем (АС) имеет значимое преимущество за счет снижения трудоемкости и сложности поддержки и обеспечения, однако вопросы непрерывного изменения, наличие унаследованных систем и сложности их сопровождения, а также использование в практических целях объединений множества АС различных организаций показывает наличие значимого количества многофункциональных многокомпонентных автоматизированных систем [168,176]. Наличие множества как функциональных, так и структурных компонентов представляет серьезную проблему для построения и непрерывного развития таких систем.

В рамках исследования рассмотрены многофункциональные автоматизированные системы природно-технического мониторинга (МФ АСптМ) на современном этапе развития, отличающегося дрейфом целей автоматизации на фоне изменения внешней обстановки в условиях неопределенности.

1.1 Многофункциональные автоматизированные системы природно-

технического мониторинга

Развитие технологий автоматизации позволило создавать крупномасштабные многофункциональные системы мониторинга: геотехнического мониторинга природной среды и инженерно-технических объектов; экологического мониторинга промышленно-транспортного комплекса; функционального мониторинга транспортных систем; мониторинга общественной безопасности в системах «безопасный город» (рис. 1.1). Решение задач мониторинга в системах подобного класса характеризуется: одновременным применением различных средств мониторинга; изменением природно-технической среды, включая появление новых объектов; изменением целей, задач и приоритетов мониторинга.

Автоматизированная система природно-технического мониторинга (АСптМ) - система мониторинга, объединяющая в себе целевые функциональные системы, предназначенные для сбора данных о функционировании крупномасштабных природно-технических объектов (производственных объектов, объектов общественной безопасности, транспортной инфраструктуры). Современный этап развития АСптМ характеризуется наделением ее свойством многофункциональности (МФ) и киберфизическим способом организации (рис. 1.1):

S = {({mon},{com},{arm},{contr},{pm},CS, C}, (1.1)

где {mon}, {com}, {arm}, {contr} - множества аппаратных датчиков, исполнительных устройств, АРМ, контролеров соответственно, CS -вычислительная и C - телекоммуникационная среды соответственно, {pm} -множество программных компонентов, реализующих отдельные функции автоматизированного мониторинга природно-технической среды.

| | ~

Природная среда

: родно-техническая среда Инженерно-технические сооружения

Технические средства

—

_;

Датчики мониторинга^

- пожаров;

- радиации;

- атмосферы;^

- воды;

АРМ (контроля состояния)

Ч

Исполнительные устройства:

- оповещения;

- блокировки;

- пожаротушения;

Контроллеры:

- пожарной безопасности;

- промышленной безопасности;

Программные средства:

- аналитики;

- прогнозирования;

- поддержки принятия решения;

ычислительная среда

Рисунок 1.1 - Функциональное представление системы природно-технического мониторинга

Автоматизированные системы природно-технического мониторинга, применяемые в различных отраслях (управление, телекоммуникации, предприятия и производства, системы безопасности, торговля, компьютерные системы, электроэнергетика, строительство) в настоящее время объединяют технологическое оборудование, коммуникационные сети, вычислительные и информационные системы, аналитические ресурсы и предоставляют сервисы автоматизации для реализации автоматизированных технологических, управленческих и обеспечивающих процессов [132]. Усложнение принципов организации и функционального состава автоматизированных систем привело к одновременному выполнению АС множества функций, количество которых с течением времени увеличивается.

Рассмотрим примеры представления систем мониторинга разного класса в форме многофункциональных систем. Первым примером является система

геотехнического мониторинга природно-технической среды, развертывания в интересах строительства и обеспечения безопасности в процессе эксплуатации [35, 99], транспортной инфраструктуры [29], горнотехнических работ [192], линейных сооружений энергетики и нефтегазового хозяйства [74]. Нормативная база: ГОСТ Р 22.1.12-2005, ГОСТ 34.003-90, ГОСТ Р 55359-2012, ГОСТ Р 22.7.0199, Постановление Правительства РФ «О единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» № 794 от 30.12.2003, отдельные положения строительных норм и правил и др. Основной целью создания и развития таких систем является обеспечение требуемого уровня надежности и эксплуатационной пригодности сооружений, а также минимизация ущерба окружающей природной среде от отрицательных факторов применения таких систем [207]. Результаты анализа систем подобного класса позволяют выделить в их составе множества функциональных задач мониторинга (рис. 1.2), реализуемых независимыми системами мониторинга, с использованием различных средств сбора и аналитической обработки первичных данных [38,76].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Логвинов Илья Валентинович, 2023 год

- /

--1

0 ,8 15

-■С - J 0 ,85 0

/ /

ЛЯ/М = ЛЯ/М

(т, ат)

О 00 Гч! Ч)

íí 1Л

3480 3360 3240 3120 3000 2880 2760 2640 2520 2400 2280 2160 2040 1920 >1800 -

ЛЯ1ЯО = ЛЯ1ЯО (Т =АТ )

Л

0,700

850

,825

ООО'Н'-чг^счсчтт^г^г^гт

о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о" о"

оооооооооооооо

3480 3360 3240 3120 3000 2880 2760 2640 2520 2400 2280 2160 2040 1920 >1800 -

ЛМШ = ЛМШ

(т , АТ)

0,75

г5Т

э г

Т

О ^ С» Гч! Ч) íí 1Л -

3480 3360 3240 3120 3000 2880 2760 2640 2520 2400 2280 2160 2040 1920 >1800

0,70

О 00 гч| ^ ^ ^ 1Л

3480 3360 3240 3120 3000 2880 2760 2640 2520 2400 2280 2160 2040 1920 >1800"

оооооооооооооо

Ли/М =Ли/М (Т, АТ ) Т

0Т

л

0,75

а

0,65

;Ат

О 00 гч| 1Л

3480 3360 3240 3120 3000 2880 2760 2640 2520 2400 2280 2160 2040 1920 >1800

¡Ат

^ОООООООООООООО

эоооооооооооооо

Рисунок 6.23 - График зависимости относительного эффекта Л от вариации и среднего времени использования ФК АС: л, = л, (т , АТ)

Результаты эксперимента показывают, что позволяет учитывать ценность результатов реализации проектов модернизации при совершенствовании МФ АС организации. Такой подход к планированию позволяет получить до 5-10 процента прироста целевого эффекта по сравнению с наилучшим из рассмотренных способов планирования - на основе динамических приоритетов. Результаты сравнительного анализа показали, что в условиях изменения значимости ФК АС Аа / аТ более 0,3 достигается прирост величины ожидаемого эффекта на 10 -15 % по сравнению с методом динамических приоритетов.

7

9(

0

0,8

8(

»

6.3.3.2 Применение метода структурно-функциональной оптимизации для оперативного планирования реконфигурации МФ АСптМ

Экспериментальное исследование применения метода планирования для решения задач оперативного планирования в АС выполнено по сравнению способами планирования на основе FCFS и FCLS по КФП с использованием имитационного моделирования [113, 114, 142] (рис. 6.24).

10000 800060004000 2000-е

Л

-п-

■■■I

1,0' 0,8' 0,6' 0,4' 0,2'

г

. -I-I-I-

50 100 150 200 250 300 0.

Л

ФПВ

г = 100 а = 25

К_

Ф Р

1

/

У

и0 =14,3 ФПВ

1,0'

а = 4,3 ■

0,6' 0,4' 0,2'

и0

л

4000 350030002500200015001000500-

11111111111

6 8 10 12 14 16 18 20 22 25

п

Г = 587

ФПВ

А

1,о-а = 185

0,60,40,2Г

^■От©-

Л

200 400

600

800 1000 0

_г

О 5о'о 100,0 150,0 200,0 250,0 300,0 350,0

ФР

и0

0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0

/

ФР /

/

Т >

0 200,0 400,0 600,0 800,0 1000,0

Рисунок 6.24 - Исходные данные потока заявок на модернизацию ФК АСптМ

Условия проведения эксперимента [142]: количество одновременно выполняемых заявок ограничено (на техническую поддержку МФ АСптМ);

производительность выполнения заявок одинакова и постоянна ц = const. Время приема, запуск обработки и уведомления заявителя являются много меньшими времени решения задачи техподдержки МФ АС. На вход поступает поток запросов с интенсивностью X (рис. 6.22).

Характеристики моделируемой системы управления: функции полезности являются монотонно убывающими неотрицательными функциями, время планирования для всех дисциплин обслуживания (FMT, FCFS, FCLS, SIRO) является много меньшем времени обслуживания заявок.

В процессе эксперимента получены зависимости относительного целевого эффекта от целевого эффекта от величины нагрузки (рис. 6.25). Результаты эксперимента показывают, что планирование обработки заявок в оперативном управлении АС на основе FMT-подхода позволяет повысить качество решения ресурсоёмких задач технической поддержки по сравнению с дисциплинами обслуживания FCFS и FCLS по целевому показателю. При этом в рамках оперативного управления эффект по сравнению м дисциплиной FCLS составляет около 3-7%.

0,90

0,70

0,80

1,00

1,10

1,40

1,20

1,30

Л/ =

0,60

-->

0,70 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 0,94 0,96 0,98 Р

Рисунок 6.25 - Изменение целевого эффекта при изменении нагрузки

6.4 Способ адаптации перестраиваемых МФ АСптМ в условиях неопределённости изменения функционального предназначения и ресурсного

обеспечения

Функциональное развитие МФ АСптМ осуществляется путем многократной модернизации ее ФК в соответствии с изменением потребностей в автоматизации мониторинга. Для таких АС обычной ситуацией является наличие множества источников ресурсов (поставщиков). Каждый источник ресурсов характеризуется: интенсивности потоков ресурсов, типы ресурсов, задержки и времени отклика и т.п. Наблюдается одновременный процесс изменения потоков заявок на модернизацию и потоков ресурсов, позволяющих выполнять мероприятия модернизации. Изменение потоков показывает наличие проблемы адаптивного управления функциональным развитием МФ АСптМ в условиях неопределённости изменения функционального предназначения и ресурсного обеспечения [8].

6.4.1 Проблема управления перестроением МФ АС в условиях неопределенности изменения предназначения и ресурсного обеспечения

При решении проблемы функциональным развитием, в работе, предполагается, что в результате преобразования частично управляемого потока потребностей в автоматизации сформирован поток заявок на модернизацию МФ

необходимо наличие соответствующего потока ресурсов. Такая ситуация показывает необходимость управления источниками ресурсов. Проблема управления множеством источников ресурсов для обеспечения реконфигурации автоматизированных систем в условиях неопределенности характеристик источников рассматривается многими авторами [193, 199]. Результаты известных исследований определяют методологию, методы и приемы управления ресурсами для развития систем управления [217, 220, 336].

АС (рис. 6.26) [240]. Для реализации соответствующего потока заявок

Источники ресурсов

4' (/)

4 (')

4 (')

V7

4 (I)

я

5, <1уре=Х>

Пул ресурсов

я

5 ,<1уре=2 >

я

5 <уре=К >

и

Х (I)

» Л ^

м/ М/ 4 Ли М/

Отброшенные заявки

4

ЛБгед

Ш

Поток заявок на реконфигурацию системы

Система управления

^ = {иа^ , ис1е( , }

4Л5Уед (|)

Обработанные заявки

4ЛБгед (|)

( /........

Модернизир

5 ^

» пем

ч ^

^ Добавляемый ФКМ

Удаляемый ФКМ

Автоматизированная система мониторинга 5

Рисунок 6.26 - Схема управления множеством источников ресурсов при функциональном развитии МФ АСптМ

Управление внешними источниками компонентов и материалов (включая компоненты комплексов средств автоматизации) на основе методов планирования является областью активных научных исследований (машинное производство, цепочки поставок и создания стоимости). Актуальность определяется наличием множества компонентов, поставляемых сотнями и тысячами поставщиков [127]. В этом случае сторонние ресурсы, включая компоненты для автоматизированных систем мониторинга, должны поставляться надлежащего качества на основе подхода «точно в срок» [402]. Расширение практики предоставления внешних средств автоматизации для построения АС (в том числе возможность аренды

оборудования в качестве сервисов) привело к необходимости адаптации существующего математического аппарата.

Основные методы управления, используемые для контроля источников ресурсов (средств автоматизации), сводятся к различным моделям: линейным, категориальным, взвешенным, моделям полной стоимости владения, самообучающимся механизмам на основе нейронных сетей, многомерной теории полезности принятия решений [337, 402]. Широко используется интеграция различных методов анализа, в частности, [342] предлагает интеграцию методов интерпретационного структурного моделирования (interpretive structural modeling) и аналитических сетей, методику DEMATEL [373, 395]. Используется нечеткий метод анализ иерархий [121, 331]. Для выявления причинно-следственных взаимодействий между основными критериями выбора источников ИТ -компонентов и их управления в процессе поставки ресурсов широко используется метод принятия решений DEMATEL (Decision making trial and evaluation laboratory), представляющий собой подход для построения и анализа сетевой модели причинно-следственных связей на основе нечетких суждений [395]. В качестве наилучшего решения выбирается та альтернатива, которая наиболее близка к идеальному решению и наиболее удалена от идеального отрицательного решения. Для управления цепочками поставок для АС используется пять видов методики DEMATEL. Это классический DEMATEL, нечеткий DEMATEL, серый (grey) DEMATEL, комбинация аналитический сетевой процесса и методики DEMATEL и неклассифицированная техника DEMATEL [395]. В [388] исследуются проблемы выбора поставщика для отрасли глобальной разработки программного обеспечения автоматизации путем использования интегрированного с методом нечеткого DEMATEL подхода методикой принятия решения по сходству с идеальным объектом. Двухэтапный процесс выбора поставщика в ИТ-аутсорсинге представлен в [256]. На первом этапе система управления привлекает источники для пилотных проектов и оценивает их характеристики. На втором этапе для получения ресурсов используются только качественные поставщики ресурсов. Сочетание grey theory и методов DEMATEL

используется в [373] для выяснения причинно-следственных связей между факторами, способствующими снижению рисков в цепочках поставок. Этот подход может решить некоторые конкретные проблемы в управлении множественными источниками ресурсов. Применение метода БЕМЛТЕЬ для изучения основного эффекта при проектировании развивающихся автоматизированных систем рассматривается в [343]. В [245] решены проблемы выбора поставщиков для расширенного предприятия с помощью интегрированной методологии БЕМЛТЕЬ и ТОРБК.

В работе рассмотрен подход к функциональному развитию МФ АС на основе использования непрерывного улучшения ФК [69]. Совокупные требования к ресурсам на функционирование, техническое обслуживание и модернизацию функционирования инфокоммуникационной среды формируются путем агрегации запросов от ФК АС. Цель управления заключается в развитии управляемой МФ АС с целью максимизации КФП (на основе критериальной функции). При этом, для ФК характерно наличие множества альтернатив модернизации, эффект от которых зависит от применяемых организационно-технических решений с различными объемами запрашиваемых ресурсов.

Математически проблема имеет следующий вид:

1) запросы на модернизацию ФК АСптМ я. поступают в систему управления в виде дважды стохастического потока заявок Л1Тгщ (?) .

2) система управления МЯ изменяет состояни Я посредством базовых контролирующих действия (управлений): и = {имИ,и^,,ито^} . Для ФКМ АС

генерируются управления иаи ито^ при наличии ресурсов модернизации, в

противном случае реализуется управление .

3) для обеспечения функционирования системы Я используются ресурсы ЯЯ : Я8 =21=оЯ; для модернизации системы Я могут использоваться ресурсы

Ям: Ям = г , где г - ресурсы для модернизации ФК в плановый период.

4) новые ресурсы вводятся в пул ресурсов из множества источников (от внутренних или внешних поставщиков) Vj. Характерными чертами потока

ресурсов (t) является неопределенность изменения характеристик.

Требуется: найти управления Ur = (t)j для обеспечения у МФ АС

наибольшего значения целевого показателя - КФП, где (t) - управляющие

воздействия, реализуемые системой управления источниками: запросы на изменение интенсивности поступающих ресурсов по их типам, изменение запланированного времени поставки и стоимости ресурсов:

MU: U* = arg max K(П(t)), (6.23)

ПеЕ(П )

где MU - механизм управления МФ АС, е(п) - множество программ развития, П = П (S ,U, А N ,V, t), U = (ифк,и^ - управление функциональным развитием:

ur £Ur : ur = (Vj, А, T, x, c^, где Vj - источник ресурса, А - интенсивность

предоставления ресурса, T - продолжительность времени поставки ресурса, x -время поставки ресурса, c - стоимость.

6.4.2 Алгоритмическое обеспечение процесса адаптации МФ АСптМ на основе управления источниками ресурсов

Предлагаемый в работе алгоритм управления адаптацией МФ АСптМ основан на оптимальном распределении ресурсов с максимизацией текущего суммарного положительного эффекта от выполнения программы модернизации (глава 6.3) [4, 5].

Основные положения алгоритма управления функциональным развитием МФ АС заключаются в объединении механизма планирования FMT (выборе для реализации наиболее своевременного проекта модернизации из очереди) с механизмом управления источниками ресурсов (оптимизация располагаемых ресурсов с учетом заявок на модернизацию) - рисунок 6.25. Предложенный

алгоритм управления получил наименование ASC (от adaptive source control). Основная идея состоит в том, чтобы сформировать по каждому решению набор планов реконфигурации P = {Pj}: P = (G,T) , где G - порядок модернизации

компонентов и T - планируемые моменты времени начала модернизации для всех запросов в очереди. По каждому плану выполняется оценка текущего

суммарного положительного эффекта E(p) = Xni Е(а/ ).

Применение методов стохастической оптимизации позволяет найти оптимальный план E(P) ^ max с ограничениями на объем ресурсов XRV, где доступный объем ресурсов изменяется от управления

RV = RV (UR, t ).

Входные данные алгоритма:

- МФ АС S с потенциально модернизируемыми ФК АСМ S, где I = I (t ) -количество компонентов;

- количество источников ресурсов J ;

- количество типов ресурсов K ;

- ограничения на управляющие воздействия (t ). Выходные данные алгоритма:

- план модернизации р МФ АСптМ St ;

- управляющие воздействия на источники ресурсов u— (t ). Алгоритм адаптации включает следующие этапы (рис. 6.27):

Этап I: На этом этапе контролируются внешние и внутренние характеристики АСптМ и оцениваются характеристики потока запросов на

модернизацию ^¡Тге (t) и потока ресурсов от источников Â- (t).

Этап II: На этом этапе из очереди и потока запросов ÂIT (t ) формируется

множество заявок на модернизацию ФК A = {az}, используемых при планировании программы развития.

С

начало

3

начальные данные

7

Монитор.

Я,

Монитор.

расчет параметров внеш. услов Ьтге^) расчет параметров источников

генерация набора ИТ-заявок

А

пелу

Формирование множ. заявок

С

По всем заявка

Расчет эффекта

Расчет ресурсов

Оценка времени

С

Конец множества

заявок

Генерация плана

Расчет эффекта и управлений

фДО

и

р = {о7т

оценка плана не подходящий ^^^^-пбдходящий

-план-

план

/ управление 7 ц /л Г

/ реконфигур. / а,/

управление 7 V ¡л источниками / Я,Л '

нет

^завершение?

да

С

конец

3

Рисунок 6.27 - Алгоритм адаптации МФ АСптМ

Этап III: На этом этапе вычисляются основные характеристики проектов модернизации ФК АС. К ним относятся: положительный эффект щ (t),

потребности в ресурсах r (t), время реконфигурации (плановая продолжительность времени выполнения проекта фг- (t)).

Этап IV: На этом этапе генерируется планы реконфигурации МФ АС P = {р}. Для каждого плана вычисляются общие потребности в ресурсах

R-lTreq (t) и определяется перечень управляющих воздействий uV (t) по

управлению источниками ресурсов на основе стохастической оптимизации. Этап V: На этом этапе применяются управляющие действия:

- UIT i (t) для адаптации функционального состава МФ АСптМ;

- uV (t) управления источниками ресурсов и формирования необходимого потока ресурсов aV (t) в соответствии с требованиями:

AR(t)-AITreq+(t)^ mm . (6.24)

Предложенный алгоритм позволяет формировать планы реконфигурации и генерировать управление источниками ресурсов в соответствии с размером потенциального эффекта и характеристиками источников.

6.4.3 Оценка применимости способа адаптации МФ АСптМ

Для оценки возможности применения предложенного в работе алгоритма проведена серия экспериментов на основе смоделированной МФ АСптМ с более чем 200 функциональными компонентами автоматизации [6, 7, 120]. Смоделирован один год функционирования МФ АС. Общий величина интенсивности поступления ресурсов лимитирована. Общий поток ресурсов Av (t) из нескольких источников вдвое меньше требуемого для удовлетворения

всех заявок модернизации A^^^t): р = A^^/aR = 2. В эксперименте

используются два типа ресурсов: R\ и R. В начале эксперимента соотношение между типами ресурсов одинаково в обоих потоках ресурсов:

ATeq+(o)= А^^+ф), aVi (о) = ?V2(0) • В момент времени изменения внешней

ситуации ( T = 180 ) поток заявок на модернизацию изменяется, что приводит к изменению потока требуемых ресурсов реконфигурации:

XIT{eq+ (180)= AÎTrtq+ (180) .

В рамках эксперимента сравнивались следующие альтернативы методов управления развитием МФ АС;

- <DP>, механизм динамических приоритетов как вариант алгоритма управления, при котором приоритеты заявок вычисляются и изменяются в процессе функционирования МФ АС;

- <FMT>, алгоритм планирования, при котором выбирается для реализации первая наиболее своевременная заявка;

- <FMT + ASC>, предложенный в работе алгоритм в котором объединены механизмы <FMT> и адаптивный метод управления источниками ИТ-ресурсов.

На рисунке 6.28 показана гистограмма средних значений стоимостной функций (моделирует КФП МФ АС) для сравниваемых альтернатив алгоритмов

выбора заявок: EDp, Eрмт> , EFMT+ASC) .

Рисунок 6.28 - Гистограмма средних значений стоимостной функции МФ АС для

сравниваемых механизмов адаптации

Ограничения по времени нахождения заявок в очереди до их отклонения от обслуживания ( т = 20 ) приводят к наличию переходного режима в начале эксперимента, а также переходного участка при изменении необходимого потока ресурсов (переходные участки обозначается штриховкой).

Рисунок 6.29а показывает оценочные значения стоимостной функции для сравниваемых механизмов управления. На рисунке 6.29б показано изменение соотношения производительности способов управления к мгновенным значениям стоимостной функции для механизма <FMT + ASC>: = ^dp) / ^(fmt+asc)

и FMT) = EFMT) / EFMT+ASC) .

/V

300 250 200 150 100 50 0

С эффект

С

(DP)

С,

(FMT+ASC)

S

Л

00% 80%

с 60%

{FMT )

t дни

40% 20% -> 0%

с 5 О О О О О О О О О О О О С) \0 С~, с I '/•, 00 —I -rt I О гП ЧО i—I i—I i—i г I г I г I Ci с<~, с<~,

п

1

\

(DP)

/

^{FMT}

t ДНИ

->

ф О' О' О' О' О' О' О' О' О' О' О' -о m чо С-, с i ir, 00 —i -1- t О m чо

—I 1—I —I ri ri Cl СО

Рисунок 6.29 - Гистограмма абсолютных (а) и нормированных (б) значений стоимостных функций для сравниваемых алгоритмов.

Результат эксперимента показывает, что изменение структуры потока требуемых ресурсов в соответствии с поступающими ИТ -заявками приводит к изменению эффективности сравниваемых алгоритмов. Механизм < FMT + ASC> вводит дополнительное управляющее воздействие uR(t = 180), которое изменяет поток ресурсов Л^ (t) в соответствии с целями управления.

Такой результат оправдывает необходимость управления источниками ресурсов для улучшения развития МФ АС среды в условиях неопределенности путем использовании возможности адаптации потока ресурсов к структуре потока

заявок на модернизацию ФК АС. Величина положительного эффекта зависит от величины изменения интенсивности и структуры потока ресурсов заявок на модернизацию (величины не стационарности потока заявок).

На рисунках 6.30 и 6.31 показаны основные характеристики обслуживания заявок на модернизацию в МФ АС. Рисунок 5.30а показывает сравнительный анализ абсолютного значения А^, а рисунок 5.30б - относительной интенсивности потока модернизаций ФК АС (новых или модернизированных) : = А^у/- то ексть количество обработанных заявок на

модернизацию.

А Л* ГС component

ф о о о о о о о о о о о о ГО ЧО С^ С) </-, СО —I -Г Г о п чо

I—II—II—I Г1 С1 Г1 ГЛ т СП

ф о о о о о о о о о о о о

<-г, ЧО ГI I/-, 00 1—I -1" Г О ГЛ ^О —I 1—I 1—I Г1 Г1 Г1 ГЛ Сг,

Рисунок 6.30 - Гистограммы абсолютного (а) и относительно (б) значения интенсивности потока реализованных заявок на модернизацию.

Рисунок 6.31а показывает значения абсолютного количества А^, а рисунок 6.31 б - относительной доли интенсивности потока отклоненных заявок на модернизацию:

Лж - ,(ЕМГ+АБС)

Ф о о о о о о о о о о о о го чо п м ^ I - о го чо

т—I т—I т— Г 1 Г 1 Г 1 С С, С

п

Пт

'¡■ед,'-.Т)7>

шшашлря

\/г т*

Ми

шж

гвд,<РМТ>

<р о о о о о о о о о о о о

го ЧО О-, г | 00 —I —Г г - О го ЧО 1—II—II—I Г I Г I Г I го го го

Рисунок 6.31 - Гистограммы абсолютного (а) и относительно (б) значения доли

отклоненных заявок на модернизацию.

Результаты эксперимента показывают, интенсивность обслуживания заявок выше, а доля отброшенных заявок ниже у предложенного алгоритма <БМТ + АБС> за счет механизма адаптивного управления ресурсами (при изменении требований) и выборе для реализации более оптимальных последовательностей заявок на модернизацию, суммарно обладающих большей величиной положительного эффекта, чем при использовании метода динамических приоритетов. При этом следует отметить, что предложенный механизм планирования ориентирован на выполненее менее ресурсоемких и одновременно более полезных проектов модернизации автоматизированной системы.

Выводы по главе 6

Для решения задачи управления перестраиваемыми системами природно -технического мониторинга в работе обосновывается адаптивный метод управления, позволяющего реализовывать весь цикл информационно-алгоритмического обеспечения с единых системно-технических позиций в рамках развития положений управления по ГОСТ ИСО 20 000. Представлены подходы к

решению задач информационного-аналитического обеспечения процесса управления функциональным развитием МФ АС, принятия решений при выборе альтернатив, структурно-функциональной оптимизации и функционального управления. Основными отличиями предлагаемой методологии от известных работ является одновременный учет факторов неполноты и изменяемости систем требований в процессе функционирования. Решение задач информационного и алгоритмического обеспечения процессов функционального развития достигается за счет применения следующих теоретических конструкций и приемов:

- формирование контекстно-зависимых информационных моделей управляемых объектов на основе концепции информационной поддержки жизненного цикла изделий и механизмов прототипирования;

- учет изменения предпочтений (требований) при планировании и выборе альтернатив на основе положений теории взвешенной полезности;

- доопределение неполной системы требований в процессе оценивания, ранжирования и выбора альтернатив;

- объединение методов идеальной точки и последовательных уступок с итеративной процедурой дополнения системы требований при выборе альтернатив.

- применением методов нечеткого сравнения функциональных деревьев, основанные на структурно-функциональном сходстве.

Результаты сравнительного анализа показывают, что применение предложенной методологии позволяет решать задачу выбора стратегий и развития автоматизированных систем природно-технического мониторинга в условиях неопределенности и в целом обеспечивают увеличение целевого показателя функциональной пригодности по сравнению с известными методами планирования на основе динамических приоритетов.

ГЛАВА 7 ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА И ОЦЕНИВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ПРИРОДНО-

ТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

Представлен подход к решению задачи оценивания эффективности автоматизированных систем мониторинга в процессе их жизненного цикла, а также их информационной поддержки. Более подробно механизмы оценивания сложных систем на всем жизненном цикле рассмотрены в монографии [124]. Вопросы информационной поддержки процессов управления перестраиваемыми адаптивными системами природно-технического мониторинга рассмотрены в серии статей [134, 144, 147, 150].

7.1 Проблема оценивания качества многофункциональных

автоматизированных систем природно-технического мониторинга

Для крупномасштабных МФ АСптМ, состоящих из десятков и сотен автоматизированных процессов мониторинга (например, систем типа «безопасный город»), характерно постоянное изменение путем реализации соответствующих проектов модернизации отдельных ФКМ. В рамках управления адаптацией МФ АСптМ осуществляется многократное решение задачи анализа альтернативных проектов модернизации. Известные подходы к оцениванию качества [139] предполагают расчет оценок для незначительного количества альтернатив относительно простых систем автоматизации мониторинга, что не позволяет их напрямую использовать в системах управления функциональным развитием МФ АСптМ из-за значительной ресурсоемкости применения. Такая ситуация в условиях ускорения смены поколений функциональных компонентов мониторинга, снижения времени морального устаревания обуславливает актуальность решения проблемы разработки механизмов оценивания альтернатив модернизации МФ АСптМ с учетом всего жизненного цикла.

7.1.1 Этапы оценивания проектов модернизации автоматизированных

систем

Управление развитием МФ АСптМ предполагает выбор и реализацию портфеля проектов модернизации наиболее критичных автоматизированных процессов мониторинга. В рамках процесса модернизации, сложность МФ АСптМ приводит к тому, что возможна одновременная реализация значительного количества альтернатив проектов совершенствования [124]. При этом каждый проект может быть реализован альтернативными способами (рис. 7.1). Обобщенная схема модернизации МФ АСптМ в процессе функционирования следйющая: под управлением системы управления объект управления (МФ

АСптМ) переводится из состояния АБ, в целевое макросостояние АБЦ^х с целью

соответствия новым требованиям [236]. Вышестоящая система предъявляет

требования к целевому состоянию АБЦеЛ (например, путем установления

требований к мониторингу).

Требования к МФ АС

д^цел

МР18 ¿гоАБ?+1\^

\

_I

АБ,- Щ\ АБ1+1 !

Рисунок 7.1 - Схема управление развитием МФ АСптМ в процессе

функционирования

Реализация мероприятий выбранного способа модернизации переводит МФ АСптМ в состояние АБ/+, которое должно входить в область

целевых состояний АБЦеЛ. Для каждого состояния АБ-+1 определяется эффективность функционирования МФ АСптМ (для систем мониторинга под

эффективностью понимается полнота мониторинга): = Э^АБ-^.^), где Э -способ оценивания эффективности. При выборе альтернативы для реализации рассматривают только допустимые Э/+1 е ЭЦеЛ из всего множества

потенциальных |4Б/+1|. Проект модернизации ФКМ рг^ характеризуется

эффективностью ЭРц =Э^ (рц,), выражаемой отношением целевого эффекта автоматизации к ресурсоемкости модернизации:

ЭР = ЭУК! , (7.1)

где Я^ - оценка ресурсоёмкости МФ АСптМ на всем жизненном цикле.

Высокая динамика смены поколений компонентов МФ АСптМ, а также изменение требований к качеству предоставляемых услуг автоматизированного мониторинга определяет необходимость учета затрат ресурсов и эффектов в рамках всего жизненного цикла. Для реализации единой схемы оценивания качества МФ АСптМ на всем жизненном цикле используется унифицированная модель жизненного цикла (рис. 7.2).

С точки зрения оценивания качества - положительного эффекта и затрат ресурсов (материальных и других видов) в рамках жизненного цикла ФКМ выделяется два макроэтапа (рис. 7.3): реализации проекта реинжиниринга и этап функционирования ФК АСптМ.

Оценивание альтернатив модернизации МФ АСптМ в процессе управления функциональным развитием в процессе функционирования должно осуществляется на следующих этапах (рис. 7.4) [138, 139]:

- оценивание необходимости модернизации МФ АСптМ;

- сравнительное оценивание эффективности направлений модернизации при их ранжировании (выборе);

Жизненный цикл МФ АСптМ

Реализация проекта реинжиниринга

Концепция

Жизненный цикл

(п-1)-го этапа реинжиниринга

Функционирование

системы

Утилизация

Начало проекта реинжиниринга

(п-1)

Начало проекта реинжиниринга

Начало проекта (п +1 реинжиниринга п

Рисунок 7.2 - Модель жизненного цикла МФ АСптМ в виде последовательности стадий реинжиниринга автоматизированных процессов мониторинга

0

Э положительный эффект

Начало реализации проекта модернизации

процессы разработки