Введение к работе
Актуальность темы. Новые тенденции развития технологий и общества в конце первого и начале второго десятилетия XXI века свидетельствуют о стремительном развитии интеллектуальности в компьютерных системах. Начальные разработки в сфере автоматизированных транспортных систем с элементами интеллектуальности уже активно применяются в различных профессиональных сферах. Возрастающий интерес к этой области и вызовы, связанные с новыми рыночными условиями хозяйствования, доказывают необходимость проведения более обстоятельных научных изысканий.
В процессы мониторинга, принятия решений и контроля их исполнения, составляющих суть управления на транспорте, все значительнее внедряются методы математического моделирования, а также обеспечивающие их передовые информационные технологии.
Вместе с тем, Л.Н. Козлов, вице-президент Международного Конгресса Промышленников и Предпринимателей, на Первом конгрессе по интеллектуальным транспортным системам (апрель 2009 г.) констатировал ситуацию стихийного формирования локальных и корпоративных систем в России, отсутствие единой политики и активности государственных органов в этом направлении, что делает проблематичным успешный переход транспорта на инновационный путь развития в стратегической перспективе. К сожалению, сегодня эта ситуация принципиально не изменилась.
Показательными примерами могут служить: управление маневровой работой на сортировочных станциях, логистика и взаимодействие различных видов транспорта при организации перевозочного процесса, контроль и оценка опыта сотрудников. Вместе с тем, многокритериальность указанных задач управления и контроля, а также их программно-математическое обеспечение, не в полной мере учитывающее специфику некоторых задач, повышают вероятность ошибочных действий со стороны человека-оператора, и, как следствие, вероятность сбоев в работе сортировочных станций, срывов графиков движения, ошибки в кадровой политике.
С целью задания единой политики и решения ряда острых вопросов в области организации перевозки грузов на железнодорожном транспорте руководством ОАО «РЖД» был разработан Единый сетевой технологический процесс (ЕСТП). Однако, пока, в документе рассматривается исключительно технология, согласно которой процессы грузоперевозок должны быть организованы, но не приводятся пути, которые могли бы способствовать выстраиванию работы в описанном ключе.
Для содержательного и эффективного решения задач ЕСТП необходимо использовать активно развиваемые в современных сложных системах направления на интеллектуализацию процессов и процедур принятия решений.
Не малый сегмент в области принятия решений в плохо формализованных транспортных задачах, в том числе для слабоструктурированных областей при отсутствии объективных моделей проблемной ситуации, занимают экспертные системы или системы помощи принятия решений на основе экспертных знаний. Однако созданию эффективных систем такого класса препятствуют два фактора: не достаточная универсальность подобных программных комплексов и трудность отбора достаточно квалифицированных экспертов, мнения которых лягут в основу построения базы знаний. Первостепенное значение здесь имеют вопросы разработки математического, методического и программного обеспечения для реализации требуемых функциональных возможностей.
Другим путем для движения в направлении интеллектуализации транспортных процессов является внедрение систем интеллектуального функционирования в различных сферах и на разных уровнях управления. Ограничивающим фактором на этом пути сегодня является отсутствие адекватного универсального метода оценки и сравнения подобных систем.
Степень разработанности проблемы.
Вопросы конкурентоспособного и эффективного развития отечественного железнодорожного транспорта, его интеграции в рыночные условия хозяйствования раскрыты в работах С.Е. Ададурова, В.А. Гапановича, В.М. Кайнова, А.Г. Тишанина, В.И. Якунина, посвященных стратегическому менеджменту отрасли.
Существенный вклад в автоматизацию управления перевозочным процессом, автоматику и связь для обеспечения безопасности движения внесли ученые: В.М. Алексеев, В.М. Абрамов, Л.А. Баранов, И.В. Беляков, П.Ф. Бестемьянов, А.М. Брылеев, М.Н. Василенко, А.В. Горелик, В.Ю. Горелик, Д.В. Гавзов, И.Е. Дмитренко, В.Н. Иванченко, Н.Ф. Котляренко, Ю.А. Кравцов, И.М. Кокурин, В.М. Лисенков, Н. К. Модин, Б.Д. Никифоров, А.С. Переборов, Н.Ф. Пенкин, С.М. Резер, Е.Н. Розенберг, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Шалягин, В.И. Шаманов, В.И. Шелухин.
О необходимости создания специальных методов выявления экспертных знаний указывается в работах таких отечественных и зарубежных авторов как: Л. Заде, Д. Канеман, О.И. Ларичев, Э.В. Попов, Д.А. Поспелов, Б. Руа, Г. Саймон, В.Л. Стефанюк, А. Тверски, Э. Фейгенбаум, В.К. Финн, Р. Хоффман.
Частные вопросы, нашедшие отражение в диссертации, а так же значимые для данного исследования результаты по искусственному интеллекту и проблемам моделирования сложных объектов представлены в работах таких авторов, как: Г.И. Белявский, Л.С. Берштейн, М.А. Бутакова, А.Н. Гуда, А.Г. Ивахненко, С.М. Ковалев, М.Д. Линденбаум, Н.Н. Лябах, И.Н. Розенберг, Е.М. Ульяницкий, В.И. Уманский, А.Н. Шабельников.
Тематика исследования охватывает Единый сетевой технологический процесс, автоматизированные и интеллектуальные системы на транспорте, модели управления процессом экспертной аттестации, алгоритмы оценки данных, поступающих в различных формах и реализацию полученных в диссертационной работе результатов с использованием соответствующего программного обеспечения. Таким образом, тема исследований является актуальной и определяет следующую цель и задачи настоящей работы.
Цель и задачи диссертационной работы. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка моделей, алгоритмов и программного обеспечения для повышения интеллектуализации и поиска перспективных направлений в решении поставленных в ЕСТП задач.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:
-
Анализ типичных представителей автоматизированных и интеллектуальных систем на транспорте.
-
Исследование применимости существующего математического и алгоритмического инструментария для выполнения задач ЕСТП.
-
Анализ существующих методов оценки интеллектуальности компьютерных систем.
-
Разработка методики получения достоверных и не противоречивых экспертных данных.
-
Разработка алгоритма автоматического выбора решающего правила.
-
Разработка на основе предложенных алгоритмов программного приложения для формирования баз знаний предметных областей и классификации поступающих элементов.
-
Разработка интерфейса программного приложения для предоставления справочных функций и доступа к необходимым материалам в понятном и удобном виде.
-
Внедрение результатов исследования в учебный процесс, науку и производство.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования настоящей диссертационной работы является Единый сетевой технологический процесс организации железнодорожных перевозок и взаимодействия его участников, а предметом исследования методы и алгоритмы интеллектуального функционирования и автоматизации процессов кластеризации и классификации в технических и технологических моделях.
Исследования проводились в рамках следующих пунктов паспорта специальности 05.13.06 – автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте): п. 4 – «Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технологических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация», п. 15 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.)», п. 16 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы построения экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и др.»;
Методы исследования. В проведенных исследованиях использованы общие принципы математического моделирования, организации сетевого взаимодействия, искусственного интеллекта, методы структурной идентификации, теории принятия решений, теории графов, теории массового обслуживания, теории распознавания образов, теории нечетких множеств.
Практическая проверка разработанных моделей и методов осуществлялась путем программной эмуляции, проведения имитационных экспериментов на модельных объектах.
Положения, выносимые на защиту:
-
Автоматизация технологических процессов на железнодорожном транспорте в настоящее время осуществляется в сложных условиях согласования рыночных интересов, требований безопасности и социальной ориентированности деятельности отрасли. Это требует выработки для всех участников процесса единых стандартов и регламентов в организационной, технической и технологической сферах взаимодействия, которые предоставляет ЕСТП. Вместе с тем ЕСТП, определяя участников единого сетевого процесса, их функции, нуждается в разработке механизмов их взаимодействия, регламентирующих отношения в соответствии с рыночной стратегией развития транспорта, которые могут быть реализованы на основе внедрения на всех уровнях управления и во всех сферах деятельности интеллектуальных технологий.
-
Широкое внедрение на транспорте новой техники и современных интеллектуальных технологий, в том числе и в рамках единой интеллектуальной системы управления и автоматизации производственных процессов на железнодорожном транспорте (ИСУЖТ), в настоящее время сдерживается отсутствием методик оценки степени интеллектуальности человеко-машинных комплексов. В этой связи следует разработать как теоретические, так и практические аспекты оценки степени интеллектуализации функционирования, как субъектов (руководителей, диспетчеров, операторов), так и машинных блоков принятия решений.
-
Комплексное решение проблемы интеллектуализации автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте основывается на системном подходе и включает разработку методики получения достоверных экспертных знаний, собственно математических и программно-алгоритмических методов интеллектуализации задач перевозочного процесса, оценку степени интеллектуализации человеко-машинных устройств и комплексов.
-
Автор защищает алгоритм и программно-математическое обеспечение задачи автоматической классификации объектов, обладающих большим числом признаков, отличающихся отсутствием четко выраженных кластеров и имеющий широкую область применения на транспорте.
-
Систематизированы и разработаны методы оценки интеллектуальности технических систем, учитывающие многокритериальную постановку задачи, способность системы «доучиваться», возможность сравнивать степени интеллектуальности различных носителей интеллекта (людей, машин, человеко-машинных комплексов).
Научная новизна. В диссертационной работе достигнуты следующие научные результаты:
-
Выявлены проблемы в постановке целей и задач ЕСТП (игнорирование рыночной стратегии развития транспорта, ориентация на административное управление, отсутствие четко сформулированной концепции автоматизации) и, в этой связи, актуализирован курс на интеллектуальное развитие АСУ ЖДТ, предложен комплекс подходов, алгоритмов и методик формирования знаний и управления ими, включая средства повышения интеллектуальности взаимодействующих агентов в организационной структуре, описанной в ЕСТП.
-
Развиты методы классификации объектов, отличающиеся тем, что однотипные, однородно расположенные объекты классифицируются по критерию максимизации точности процесса управления. К такого рода объектам на железнодорожном транспорте относятся объекты различной природы: организационной, технологической, технической.
-
Развит метод многокритериальной оценки интеллектуальности компьютерных систем, обобщающий с учетом мультипликативного эффекта исследуемых признаков известные частные постановки.
-
Разработан авторский метод сравнительной оценки интеллектуальности, основанный на использовании стандартной итерационной процедуры обучения принятию решений. В качестве эталонного используется интеллект человека-эксперта или другой уже сертифицированной машины.
-
Разработан комплекс процедур (алгоритм и методики):
- получения достоверных и не противоречивых экспертных знаний;
- отбраковки не достаточно квалифицированных экспертных мнений;
- автоматического выбора экспертного решающего правила на основании существующей базы знаний;
- классификации уровня интеллектуальности программно-технической системы, обеспечивающий интеллектуализацию автоматизируемых аспектов управления сетевым технологическим процессом.
Практическая ценность работы обусловлена возможностью ее непосредственного применения к задачам, поставленным в новой технологии перевозочного процесса, в применении полученных результатов для повышения точности при квалификационном тестировании работников. Результаты работы могут использоваться в задачах классификации в сложных технологических процессах на транспорте, что приводит к интенсификации работ и оптимизации экономических и производственных критериев, Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе РГУПС.
Достоверность результатов работы подтверждается математической адекватностью моделей, основанной на корректном применении методов и доказательствах необходимых утверждений, совпадением теоретических и экспериментальных результатов, публикациями и апробацией работы на международных и всероссийских научных конференциях, актами внедрения результатов работы.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Информатика» РГУПС, на международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2010» (Одесса, 2010), на международной научной конференции «Механика и трибология транспортных систем» (Ростов-на-Дону, 2011), на всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2012» (Ростов-на-Дону, 2012), на международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» (Тамбов, 2013), на научно-технической конференции «Интеллектуальные системы управления на железнодорожном транспорте – ИСУЖТ-2013» (Москва, 2013).
Публикации. Полученные в диссертации результаты нашли свое отражение в 12 печатных работах, 4 из которых опубликованы в журналах из перечня ВАК, список которых приведен в конце автореферата.
Внедрение результатов исследования. Результаты исследования получили свое внедрение в учебный процесс и науку. Вопросы анализа подходов к оценке уровня интеллектуальности программно-технических систем нашли свое отражение в учебном пособии. Внедрение в науку осуществлено путем регистрации программной разработки в объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и Образование» и разработки предложений по применению результатов исследования в деятельности РостфНИИАС.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (110 наименований), приложений. Общий объем работы – 161 стр., 22 рисунка, 12 таблиц.
Похожие диссертации на Интеллектуализация решения прикладных задач в автоматизированных системах управления единым сетевым технологическим процессом на железнодорожном транспорте
