Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных задач оптимального проектирования судовых автоматизированных систем (САС) является задача параметрической оптимизации, т.е. задача выбора оптимальных значений параметров САС, исходя из требований, предъявляемых к качеству процессов в различных режимах этих систем. При этом предполагается, что уже решена задача выбора наилучшего варианта структуры САС с учетом ее экономических, надежностных, массогабаритных и эксплуатационных характеристик.
Решение задач параметрической оптимизации САС сталкивается с рядом трудностей, связанных с особенностями этих систем, среды которых необходимо отметить следующие:
многофункциональность и многорежимность САС, что вызывает большое число противоречивых требований, предъявляемых к системам.
Необходимость учета широкого диапазона их изменения оптимизируемых параметров, а также ограничений на значения отдельных показателей качества процессов.
Сложность вычислительных моделей показателей качества процессов в САС, представляющих собой нелинейные дифференциальные уравнения достаточно высокого порядка;
Отсутствие связи между специализированными моделями отдельных показателей качества, характеризующих различные режимы, а также необходимость в отдельных случаях учитывать наличие случайных воздействий.
Из вышеизложенного видно, что применение, как классических методов синтеза автоматических систем, так и итеративных методов оптимизации, основанных на полном математическом описании процессов в системах, как правило, не применимы для решения задач параметрической оптимизации САС с учетом вышеприведенных особенностей. В то же время отказ от многокритериальности, упрощение вычислительных моделей или неучет ограничений на значения показателей качества и оптимизируемых параметров может привести к неверным результатам.
В настоящее время имеется большое число работ, посвященных проблемам параметрической многокритериальной оптимизации. Однако, большинство указанных публикаций посвящено либо поиску Парето-оптимальных вариантов, либо свертыванию показателей (критериев) качества в один обобщенный показатель, представляющий собой средневзвешенную степенную функцию, что во многих случаях не позволяет учесть специфику параметрической оптимизации САС.
Для решения задач параметрической многокритериальной оптимизации возникает необходимость создания иерархической системы моделей, при разработке которой предусмотрено сочетание строго формализуемых и эвристических методов исследования и оптимизации сложных систем, в частности методов теории планирования эксперимента, принятия решений и нелинейного программирования. Один или несколько верхних уровней представляют собой полиномиальные неаддитивные функции предпочтения (целевые или критериальные функции), а нижний уровень полиномиальные зависимости показателей качества процессов от оптимизируемых параметров.
При этом широко используется концепция активной идентификации сложных систем, основанная на планировании вычислительного и эвристического экспериментов.
Пользуясь системой иерархических полиномиальных моделей, можно достаточно просто свести задачу многокритериальной оптимизации к стандартной задаче нелинейного программирования.
Теоретическое обоснование эвристического эксперимента дает общая теория измерений, которая рассматривает как объективные измерения, осуществляемые приборами, так и субъективные измерения, производимые экспертами. В эвристическом эксперименте отдельным точкам спектра плана соответствуют гипотетические варианты САС, для которых известны векторные оценки нормированных значений показателей качества процессов. Эксперты путем осуществления специальных процедур, основанных на субъективных измерениях, определяют значения функций предпочтения в точках спектра плана. Обработка полученных значений функций предпочтения на основе метода наименьших квадратов позволяет определить полиномиальные зависимости функции предпочтения от нормированных значений показателей. Указанные неаддитивные зависимости обладают большей потенциальной адекватностью, чем средневзвешенные степенные оценки, так как учитывают не только важность отдельных показателей, но и их взаимное влияние, а также нежелательность приближения значений показателей к их граничным значениям.
Основной особенностью планов активного эвристического эксперимента, отличающих их от планов вычислительного и регрессионного экспериментов, является неравноценность отдельных точек спектра, т.е. субъективные измерения в некоторых точках отличаются друг от друга по степени сложности измерений и точности получаемых результатов.
В соответствие с вышеизложенным определяются цель и задачи диссертационной работы.
Целью исследования является теоретическое обоснование и решение задачи многокритериальной параметрической оптимизации судовых автоматизированных систем на основе полиномиальных функций предпочтения.
Для достижения поставленной цели в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:
Анализ существующих методов формирования функций предпочтения и разработка метода идентификации неаддитивных полиномиальных функций предпочтения путем обработки результатов эвристического эксперимента.
Синтез и анализ планов многофакторного эвристического эксперимента для идентификации неаддитивных функций предпочтения.
Разработка процедур субъективных измерений функций предпочтения в точках спектров планов однофакторного эвристического эксперимента.
Многокритериальная параметрическая оптимизация автоматических систем управления курсом судна в различных режимах.
Методы исследования. Решение поставленных задач достигается путем применения теории автоматических систем, теории планирования активного эксперимента, теории принятия решений, методов нелинейного программирования и общей теории измерений.
Объектом исследования диссертации являются сложные многорежимные судовые автоматизированные системы, к качеству которых предъявляются противоречивые требования.
Предметом исследования диссертации является идентификация полиномеальных функций предпочтения и их реализация в задачах многокритериальной параметрической оптимизации судовых автоматизированных систем.
Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
предложена и теоретически обоснована многокритериальная параметрическая оптимизация судовых автоматических систем на основе полиномиальных функций предпочтения путем обработки результатов активного эвристического эксперимента;
разработаны научные основы синтеза и анализа симметричных и квазисимметричных планов многофакторного эвристического эксперимента второго, третьего и четвертого порядков с учетом неравноценности субъективных измерений в различных точках спектров планов;
осуществлена формализация процедур субъективных измерений функций предпочтения в точках спектра плана, основанная на использовании условных функций предпочтения и приведенных расстояний между нормированными значениями показателей качества;
разработаны модели и алгоритмы многокритериальной параметрической оптимизации многорежимной автоматической системы управления курсом судна.
Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования теоретических разработок и предлагаются планы эвристического эксперимента, модели и алгоритмы для решения конкретных задач, возникающих при многокритериальной параметрической оптимизации САС. Разработанный подход к многокритериальной оптимизации, основанный на иерархической системе полиномиальных моделей, позволяет повысить эффективность оптимального проектирования сложных САС с учетом противоречивых требований, предъявляемых к качеству процессов в различных режимах САС.
Полученные результаты доведены до алгоритмов и программного обеспечения.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы в составе ОКР «Фагот» в НПФ «Меридиан» использованы при выполнении Федеральной целевой программы (ФЦП) «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 г.г.».
Полученные результаты доведены до алгоритмов и программного обеспечения, которые были использованы в ОКР «Фагот» при разработке и реализации аппаратно-программных комплексов, обеспечивающих минимизацию ущерба при неизбежности столкновения объектов морской деятельности.
Разработанные алгоритмы и программы внедрены в учебном процессе (Санкт-Петербургский университет водных коммуникаций).
Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались
на второй межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта России» (2011г.), на пятой (юбилейной) всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика»(2011 г.), на четвертой Всероссийской научной конференции «Теория и практика системной динамик» (Апатиты, 2011 г.), на шестой международной научно-технической конференции «Информатизация процессов формирования открытых систем на основе СУБД, САПР, АСНИ и систем искусственного интеллекта.(Вологда, 2011 г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе две статьи опубликованы в изданиях, имеющихся в перечне научных журналах ВАК Министерства образования РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Общий объем работы составляет 167 страницу, и список использованных источников из 95 наименований.
