Введение к работе
Актуальность проблемы. Появившиеся сложные системы управления "челоЕек-техника", к которым относятся организационно-технические системы, характеризуются многофакторностью технологических процессов и производств. Под воздействием значительного числа возмущений в них велики неопределенности в анализе возникающих ситуаций и неоднозначности в ЕЫборе способов их ликвидации и оценке эффективности управляющих воздействий.
Причины подобного положения носят объективный характер. Неопределенность связана с тем, что движение материальных потоков в пространстве и во Бремени подвержено действию значительного числа Еозмущений, возникающих по вероятностным законам и приводящих к знакоперемешшм отклонениям, составляющим ситуации. Неоднозначность определена множеством способов ликвидации возникающих отклонений, последствия от которых в условиях многофакторности и неопределенности объекта управления трудно прогнозировать. В результате, применительно к- ситуациям, способы ликвидации которых неоднозначны и содержат неопределенности в ЕЫборе действий, возникает проблема автоматизированного управления ситуациями в организационно-технических системах.
Научные и прикладные исследования по проблемам искусственного интеллекта,его применение для автоматизации технологических процессов и производств имеют к автоматизированному управлению ситауциями непосредственное отношение. По классификации академика РАН Гермогена Сергеевича Поспелова, это - системы, моделиру-щие отдельные творческие процессы; интеллектуальные системы,
О^илпоихігір uq oirouT»av- urtrma anv-мфоісріта ЯЛРКТПОННО—ЕНЧЇТСЛИТеЛЬ—
ных машин (ЭВМ); интеллектуальные роботы.
Мировой приоритет отечественной науки на втом направлении обеспечили работы М.Г.Гоазе-Рапопорто, В.М.Глушкова, С.В.Емель-нова, О.И.ЛаричеЕа, И.М. Макарова, А.Г.Мамиконова, Н.Н.Моисеева, Б.Н.Петрова, Г.С.Поспелова, Д.А. Поспелова, И.В.Прангишвили, Э.В.Попова, Б.Я.Советова и других известных ученых. Среди работ западных ученых выделяются труды Г.Вагнера, А.Дж.Вильсона, Н.Винера, М.Ф.Даринга, М. МесароЕича, Н.Нильсона, Т.Саати, П.Уинстона, другие труды.
Дальнейшим развитием исследований яеились автоматизированные системы принятия решений (АСПР), которые моделируют управляющую деятельность лица, принимающего решения (ЛПР), и программно-техническими средствами реализуют автоматизированное управление ситуациями.
Анализ их контуров обратной связи состоит из анализа типовых ситуаций и типовых способов их ликвидации, выявленных по результатам управленческих игр, и решает задачи формализации процедур принятия решений, основанных на знаниях, обобщенном опыте ЛПР и результатах диалога между ЛПР и ЭВМ, для автоматизации выработки управляющих воздействий. Возможность и условия совместного функционирования в процессах принятия решений естественной (ЛПР) и искусственной (ЭВМ) памятей на уровне подсистем принятия оперативных, стратегических и корректирующих решений и оптимальность автоматизированного управления ситуациями исследуются в синтезе контуров обратной связи АСПР.
В АСПР образуются два типа обратных связей: I) на основе взаимодополняющего взаимодействия естественной (ЛПР) и искусственной (ЭВМ) памятей, когда в искусственную (ЭВМ) память передаются все процедуры принятия решений за счет знаний и обоб-
щепного опыта ЛІР, а результаты выполнения этих процедур' контролируются естественной (ЛІТР) памятью; 2) в искусственную (ЭВМ) память размещается информационное поле поиска творческих решений и алгоритмі вычисления значений функций последствий от принятых решений, а естественная (ЛПР) память осуществляет контроль и ответственность за качество управления.
Отсутствие автоматизированного управления ситуациями в сложных системах управления "человек-техника" приводит к тому, что управляющие воздействия вырабатываются ЛПР Еручную, без участия ЭЕМ в процессах принятия решений. В результате возникают недостатки, существенно снижающие эффективность управления.
При разработке и проектировании АСПР ваишм л непростым является вопрос о нахождении адекватных математических моделей в принятии решений. Этой проблеме уделяется большое внимание уже многие годы. В ранних работах системы, связанные с принятием решений, отнесены к целенаправленным системам. Указано на принципиальную возможность применения положений общей теории систем для систем принятия решений. Крупным шагом в системах принятия решений яеилось применение теории нечетких множеств, где многошаговый процесс принятия решений в динамической системе представляется автоматной моделью с множеством состояний, управлений, отображений переходов. Различные модификации метода анализа иерархий на базе матричного анализа рассматриваются в более поздних работах.
Общим недостатком указанных подходов является необходимость' решения комбинаторных задач большой размерности, отсутствие замкнутых алгоритмов принятия решений в программно-технической среде АСПР и оптимальных мер управляющих воздействий для автоматизированного управления ситуациями, а также надежных и
4 быстродействующих алгоритмов для интеллектуальных систем управления с тремя контурами обратной связи.
Таким образом, обеспечение совместного функционирования в процессах принятия решений естественной (ЛПР) и искусствешюй (ЭВМ) памятей для формализиции процедур принятия решений, автоматизации выработки управляющих воздействий, основанных на знаниях, обобщенном опыте и результатах диалога между ЛПР и ЭВМ, и автоматизированного управления ситуациями является крупной научной проблемой, требующей теоретического обобщения и решения и имеющей иажное народнохозяйственное и оборонное значение.
Целью работы является создание теоретических основ и практическая разработка моделей и методов автоматизированного управления ситуациями, включающих в себя анализ и синтез контуров обратной связи АСПР. Имеется в Еиду создание теоретической базы проектирования АСПР, эффективных по структуре, быстродействию и компактизации информации, и внедрение таких АСПР в народное хозяйство.
Для достижения указанной цели решается следующий комплекс взаимосвязанных научных и практических задач:
создание моделей и методов формализации знаний и обобщенного опита ЛПР;
разработка моделей и методов модифицированного преобразования Лапласа, для краткости названного Р-преобразованием, и перевода ситуаций и операций над ними в единое непрерывное пространство;
разработка моделей ситуационного управления с применением интегральных преобразований на уровне подсистем принятия корректирующих и стратегических решений ЭВМ с использованием знаний и обобщенного опыта ЛПР;
создание моделей принятия оперативних, стратегических и корректирующих решений для ЭВМ, согласованных с ЛПР, с использованием интегральных преобразований;
разработка моделей по выбору мер и формированию еєличин управляющих воздействий в автоматическом режиме на уровне оперативных и стратегических решений АСПР с применением интегральных преобразований;
создание моделей и методов.оптимизации процессов принятия решений с использованием интегральных преобразований и чисел Фибоначчи;
разработка основанной на интегральных преобразованиях и числах Фибоначчи методологии автоматизированного управления ситуациями в сложных системах управления "чєлоеєк-тєхникв".
Наряду с решением приведенных задач в работе обсуждается практический опыт использования созданных моделей и методов и формулируются некоторые направления будущих исследований.
Методы исследования. В работе используются, методы теории управления,моделирования систем, аппарат теории вероятностей и математической статистики, теории преобразований, массового, обслуживания, теории чисел и интегральных преобразований.
Научная новизна. Сформулированы и исследованы на основе модифицированного преобразования Лапласа, для краткости названного Р-преобразованием, новые классы задач,связанные с формализацией знаний и обобщенного опыта ЛПР, ссемєстішм функционированием в процессах принятия решений естественной (ЛПР) и искусственной (ЭВМ) памятей на уровне оперативных, стратегических и корректирующих решений АСПР, методологией автоматизированного управления ситуациями с применением интегральных преобразовашій и чисел Фибоначчи. Разработаны
принципы синтеза АСПР в виде трех контуров обратной связи при взаимодействии естественной (ЛИР) и искусственной (ЭВМ) памятей, созданы математические модели трехуровневых АСПР, в которых на основе аппроксимации АСПР решением диофантового уравнения показана необходимость и достаточность трех контуров АСПР, а такта созданы теоретические осноеы уменьшения размерности комбинаторных задач при принятии решений в АСПР на основе применения модифицировшпюго преобразования Лапласа, разработана теория выбора оптимальных мер управляющих воздействий на основе чисел Фибоначчи.
Методологическую новизну работы определяет примененное модифицированное преобразование Лапласа, позволяющее исследовать дискретные процессы принятия решений е едином непрерывном пространстве, что позволяет с единых позиций исследовать АСПР, состоящие из подсистем разного типа (дискретных, непрерывных, дискретно-непрерыЕШХ). Кроме того, обеспечиваются простота, доступность исследования и интеграция задач автоматизированного управления ситуациям! с задачами автоматического управления в технических системах, чем значительно расширяется класс решаемых задач.
В соответствии с отмеченным на защиту еыносятся следующие научные результаты:
ноЕнй класс моделей, обеспечивающих формальное представление ситуаций и способов их ликвидации на осноеє знаний и обобщенного опыта ЛПР;
модели и методы интегральных преобразований и перевода ситуаций в единое непрерывное пространство на основе модифицированного преобразования Лапласа (Р - преобразования);
модели функционирования АСПР в статическом и динамическом
7 режимах на уровне принятия оперативных и стратегических решений с применением интегралышх преобразований;
модели и метода обеспечения возможности и условий выработки управляющих воздействий АСПР в автоматическом режиме на базе интегральных преобразований;
модели и методы выбора мер и формирования величин управляющих воздействий на этапе анализа типоеых ситуаций АСПР с использованием интегральных преобразований и чисел Оибоначчн;
модели и методы обеспечения оптимальности процессов принятия решений на основе знаний, обобщешого опыта ЛПР и диалога между ЛПР и ЭВМ с применением интегральных преобразований и чисел Фибоначчи;
метод сравнения и выбора системы счисления АСПР на основе интегральных преобразований;
принципы построения автоматизированного управления ситуациями, основанные на интегральных преобразованиях и числах Фибоначчи.
Мировая новизна полученных научных результатов подтверждена патентами, в том числе, патентами России I3I4305, I36774I.
Практическая ценность работы. Выполненные исследования и полученные результаты определяют теоретическую и алгоритмическую основу для совместного функционирования естественной (ЛПР) и искусственной (ЭВМ) памятей и автоматизированного управлеїшя ситуациями. Разработанные модели, методы и принципы обеспечивают автоматизированное управление ситуациями в сложных системах управлеїшя "человек-техника" и оптимальность функционирования АСПР.
Созданные на их основе АСПР решают следующие основные практические задачи:
- устраняют задержки в выработке управляющих воздействий
8 из-за наличия значительного числа громоздких, трудоемких и стереотипных процедур принятия решений в сложных системах управления "человек-техника";
исключают возможность возникновения ошибок в выборе управляющих воздействий ввиду неопределенности в анализе возникающих ситуаций и неоднозначности в ЕЫборе способов их ликвидации;
обеспечивают независимость в выработке управляющих воздействий от ЛПР на уровне оперативных и стратегических решений и их высокую эффективность.
Полученные результаты представляют собой эффективную методологию и аппарат для моделирования управляющей деятельности ЛПР, автомЕтизации процессов принятия решений, автоматизированного управления ситуациями в сложных системах управления "человек-техника" и повышения качества управления.*
Реализация результатов работы. Результаты проведенных теоретических и прикладных исследований экспериментально проверены и применены в промышленности, сельском хозяйстве, на ряде предприятий, в организациях, учебном процессе. Машинные алгоритмы и модели информационного обеспечения АСПР переданы в/ч 26920, в Министерство обороны Российской Федерации, АСПР по управлению потоком запасных частей к сельхозмашинам сдана в промышленную эксплуатацию в республике Башкортостан (1986 г.) с годовым технико-экономическим эффектом 126,0 тыс.руб. (по ценам 1986 г.). Подготовленная техническая документация передана в Башкирский центр научно-технической информации, в
»Топчевский А.Л. К вопросу о повышении эффективности космических систеи связи на основе рационального расходования мощностей систем энергоснабжения космических аппаратов-ретрансляторов, потребляемых бортовой ретрансляциошюй аппаратурой. - Электродинамика и техника СБЧ и КВН, 1995,jfr 2, с.91.
Госснаб СССР был направлен технорабочий проект АСПР. По решению Совмина РСФСР (1988 г.) разработанная АСПР рекомендовалась к тиражированию в сельскохозяйственном производстве. Она демонстрировалась на Всероссийской виставке в Уфе "Машинострби-тельная технология - 87", используется в учебном процессе УГАТУ. В последние годы модели и алгоритмы АСПР использованы на Уфимском нефтеперерабатывающем загоде (1993 г.) для управления траспортными потоками, в ОКБ "Вихрь" при УГАТУ для проектирования систем управления энергоемкими комплексами.
Апробация работы. Основные научные и практические результа--ты работы докладывались и обсуждались на республиканской научно-технической конференции "Автоматизированное управление сложными системами" (Уфа,1985), всесоюзной конференции "Управление большим городом" (Москва,1989), республиканской межотраслевой научно- технической конференции "Теория и практика разработки и внедрения средств автоматизации и роботизации технологических и производственных процессов" (Уфа,1989), всесоюзной научно-технической коїференции "Математические и программные методы проектирования управляющих и информационных систем" (Пенза,1990), региональном постоянно действующем семинаре "Методы использования искусственного интеллекта в автоматизированных системах" (Куйбышев, 1990), IX всесоюзном симпозиуме "Эффективность, качество и надежность систем "человек-техника" (Воронеж,1990), международной конференции "Конверсия и сотрудничество" (Москва,1992), международной конференции "Эргономика в России, СНГ и мире: опыт и перспективы" (Санкт-Петербург, 1993), I Совещании "Новые направления в теории систем с обратной связью" (Уфа,1993), международней конференции "Проблемы преобразования электроэнергии" (Москва, 1993), семинарах науч-но-технического журнала "Электродинамика и техника СВЧ и КВЧ"
io'
(Москва, I993-1995), I Международной конференции по электромеханике и электротехнологии (Суздаль,1994), в Академии электротехнических наук Российской Федерации (Москва,1994), V Международной научно-технической конференции "Математическое моделирование и САПР систем сверхбыстрой обработки информации на объемных интегральных схемах (CMC) СВЧ и КВЧ" (Сергиев Посад, 1995), 40 Международном научно-техническом коллоквиуме (Германия, 1995).
На работы автора имеются ссылки.*
Публикации. Результаты диссертации отражены в 50 печатных работах автора, е том числе, в трех монографиях.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, основного содержания из четырех глав и трех приложений, осноеных выводов и результатов, списка авторских публикаций. Осноеноє содержание изложено на 280 страницах машинописного текста, включает 29 рисунков, 6 таблиц.