Содержание к диссертации
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 6
1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ, МОДЕЛЕЙ И ПРИНЦИПОВ СОЗДАНИЯ ГИБРИДНЫХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ С ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРОЙ 15
1.1. Основные направления развития информационных технологий в сфере управления предприятиями промышленности и транспортного комплекса.. 15
1.2. Общие принципы создания систем поддержки принятия решений 17
1.3. Математические моделирование компонентов системы аттестации и подготовки кадров 1.3.1. Анализ моделей научения в организации учебного процесса 23
1.3.2. Моделирование процедур тестового контроля 25
1.3.3. Моделирование совместного процесса обучения и тестирования 32
1.4. Анализ методов моделирования транспортных систем 34
1.4.1. Анализ эмпирических моделей характеристик грунтового основания .34
1.4.2. Модели взаимодействия одиночного жесткого колеса с деформируемым грунтом 39
1.4.3. Моделирование функционирования технологических машин для грунтовых поверхностей, заданных статистическими характеристиками 42
1.5. Анализ методик определения экономической эффективности инновационных проектов 44
1.5.1. Определение показателя интегральной экономической эффективности 45
1.5.2. Методы расчета и анализа риска 48
1.5.3. Анализ методик финансовой устойчивости 50
1.6. Методы аналитического, имитационного и статистического моделирования процессов управления 55
1.6.1. Декомпозиционные подходы к моделированию сложных технических систем 55
1.6.2. Имитационные и гибридные модели 57
1.6.3. Статистические методы ситуационного анализа 61
1.7. Методы и модели теории принятия решений 65
1.7.1. Основные положения теории выбора 65
1.7.2. Методы экспертного оценивания
1.7.3. Многокритериальная оптимизация и процедуры принятия решений .76
Выводы по главе 1 82
2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ СОЗДАНИЯ ОТКРЫТОЙ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ 83
2.1. Декомпозиция и параметризация приложений гибридной системы 83
2.1.1. Параметризация исполняемого приложения 83
2.1.2. Методика сборки и структуризации приложений 84
2.1.3. Формальные операции создания структуры приложений 86
2.2. Схемы описаний элементарного приложения, структуры и сценария 95
2.2.1. Формализованное описание элементарного приложения 95
2.2.2. Перераспределение функций между инвариантной и предметной составляющей 98
2.3. Синхронизация процессов и согласование элементарных приложений по данным 102
2.3.1. Инвариантная составляющая имитационных процессов и реализации сценария 103
2.3.2. Формальные определения сцепленности процессов 1 2.4. Методика автоматизации модельных экспериментов 119
2.5. Классификация пользователей и функциональных приложений гибридной среды 121
Выводы по главе 2 127
3. МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ И АНАЛИЗА УПРАВЛЯЕМОГО ИМИТАЦИОННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА 128
3.1. Характер выходных процессов имитации 128
3.1.1. Экспериментальный анализ автоковариационной функции 129
3.1.2. Разработка аналитической модели автоковариационной функции 131
3.1.3. Дисперсия среднеинтегральной оценки 133
3.1.4. Тренды переходных режимов имитационных процессов 134
3.2. Анализ точности среднеинтегральных характеристик нестационарных процессов 141
3.2.1. Модель гауссовского условно нестационарного процесса 142
3.2.2. Характеристики среднеинтегральной оценки 145
3.2.3. Влияние сброса начального периода моделирования 149
3.2.4. Критерий вероятности принадлежности оценки заданному интервалу 154
3.3. Формализованное описание управляемой имитационной модели 158 3.3.1. Принципы построения управляемой модели 159
3.3.2. Алгоритм управляемого имитационного процесса 161
3.3.3. Рекуррентный анализ сходимости алгоритма управления 165
3.3.4. Анализ поведения алгоритма при постоянной длине шага 169
3.3.5. Анализ поведения алгоритма при переменной длине шага 171
3.4. Исследование сходимости управляемого имитационного процесса 172
3.4.1. Оценка градиента на переходном периоде 173
3.4.2. Эффективность восстановления состояния 176
3.4.3. Выбор длительности интервала управления 178
3.5. Включение имитационной модели во вложенный уровень 182
3.5.1. Построение процедуры рекуррентного оценивания 183
3.5.2. Анализ сходимости процедуры Роббинса-Монро 185
Выводы по главе 3 188
4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТОДИК АНАЛИЗА, ИНВАРИАНТНЫХ К ПРЕДМЕТНЫМ ОБЛАСТЯМ В
ГИБРИДНОЙ СППР 190
4.1. Методики анализа финансовой устойчивости и кластеризации предприятий промышленности и транспортного комплекса 190
4.1.1. Сценарий автоматизации экспериментов по качеству моделей прогнозирования и кластеризации 190
4.1.2. Элементарные приложения процедур прогнозирования и кластеризации 191
4.1.3. Апробация методик финансовой устойчивости, прогнозирования и кластеризации 205
4.2. Методика анализа характеристик грунта и взаимодействия колесных машин 215
4.2.1. Сценарий автоматизации экспериментов по оценке характеристик грунта и функционирования технологических машин 216
4.2.2. Элементарные приложения системы анализа характеристик многоколесных машин 218
4.2.3. Результаты экспериментов по анализу взаимодействия многоколесных машин с грунтом слабой несущей способности 229
4.3. Методика анализа эффективности методов и моделей тестового контроля 239
4.3.1. Сценарий методики анализа эффективности методов и моделей тестового контроля 240 4.3.2. Элементарные приложения моделей тестового контроля 241
4.3.3. Результаты экспериментов по оценке эффективности процедур тестового контроля 248
Выводы по главе 4 253
5. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ГИБРИДНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ С ОТКРЫТОЙ СТРУКТУРОЙ 254
5.1. Структура и функционал инструментальных средств гибридной системы 254
5.1.1. Общая структура программных компонентов системы 254
5.1.2. Конструкторы проектирования сценариев элементарных программных приложений 257
5.2. Программные технологии разработки инструментальных средств и
приложений 261
5.2.1. Универсальный набор фреймов гибридной среды 261
5.2.2. Перечень регистрируемых компонентов 263
5.2.3. Active-X компоненты интерфейсного взаимодействия с математическими пакетами 266
5.2.4. Механизмы синхронизации и блокировок приложений сценария 270
5.3. Структура системы баз данных гибридной среды 271
5.3.1. Структура базы данных локального варианта сценария 271
5.3.2. Структура базы данных сетевой многоролевой среды 276
5.3.3. Методика и модели конвертации данных 2 5.4. Интерфейс программных приложений системы финансового анализа.,278
5.5. Интерфейс программных приложений методики анализа многоколесных машин с грунтом 282
5.6. Интерфейс программных приложений системы тестового контроля 305
Выводы по главе 5 308
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 309
ЛИТЕРАТУРА 311
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ 3
Введение к работе
В настоящее время большое внимание уделяется разработке систем мониторинга различных показателей и поддержки принятия решений по управлению крупными предприятиями. При этом основной акцент делается на создание распределенных баз данных и телекоммуникационных технологий, обеспечивающих оперативный обмен данными. Однако в практике принятия решений недостаточно полно используется спектр математических методов с развитыми формами визуализации данных. Обычно, руководители предприятий не владеют свободно аналитическими методами, поэтому приходится динамически подстраивать формы представления аналитических расчетов непосредственно под каждого. Заказчики (особенно руководящий состав) очень часто не могут дать формальную постановку задач и методик анализа, что требует значительного времени на программирование. Причем неизвестно - будут ли они в конечном счете полезны в плане поддержки принятия решений именно данным лицом.
Проблема заключается в отсутствии эффективных систем автоматизации поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям, а также в необходимости интеграции отдельных программных приложений, реализованных в различных средах.
В работе предлагается интеграция пользовательской оболочки системы поддержки принятия решений с мощными математическими пакетами на основе унификации программного интерфейса. Сама же методика представляет совокупность методов и моделей с алгоритмической структурой и привязкой к разнородной системе баз данных, т.е. алгоритм манипуляции функционально законченными методами, имеющими программную поддержку.
Предметом исследования являются методы и модели поддержки принятия решений и оперативного ситуационного анализа, а также компоненты математического, информационного и программного обеспечения системы поддержки принятия решений.
Целью работы является повышение оперативности принятия решений, за счет создания гибридной системы поддержки принятия решений с открытой структурой, инвариантной к предметным областям для обеспечения:
• включения новых математических методов и экономических методик с асинхронными и распределенными механизмами формирования баз данных, методов и моделей принятия управленческих решений;
• перехода на новые формы управления и принципы реализации информационной поддержки процессов аналитической обработки и управления, а также на новые модели деловых процессов;
• создания единой стандартизированной технологической платформы для широкомасштабного внедрения интегрированных технологий мониторинга показателей деятельности предприятий и принятия управленческих решений;
• унификации программного интерфейса со стандартными математическими пакетам и оперативной реализации новых методов и методик.
В соответствии с поставленной целью в диссертации решаются следующие задачи;
1. Системный анализ методов и моделей систем поддержки принятия решений для реализации механизмов включения новых математических методов и экономических методик.
2. Анализ различных предметных областей (обучение, моделирование транспортных систем, финансово-экономический анализ) для определения инвариантной составляющей системы.
3. Разработка концепции создания гибридной среды с разделением функционала между приложениями и инструментальной средой интеграции приложений.
з
4. Разработка процедур оперативного создания и включения новых методов и моделей в гибридную среду с учетом механизмов синхронизации, блокировок и согласования по данным.
5. Разработка моделей нестационарных процессов и методики оптимизации на имитационных моделях.
6. Апробация методики создания приложений на примере организации учебного процесса, анализа функционирования транспортных средств и финансово-экономического анализа предприятий.
7. Программная реализация компонентов системы и разработка макета системы поддержки принятия решений.
При разработке формальных моделей компонентов в диссертации использовались методы общей теории систем и классический теоретико-множественный аппарат. Системный анализ деятельности проводился на основе реальных статистических данных с использованием методов факторного, кластерного, канонического и других современных методов многомерного статистического анализа. При разработке моделей функционирования компонентов использовалась теория графов, методы математического программирования, теория марковских цепей, теория управляемых случайных процессов, имитационное моделирование, теория нечетких множеств и другие.
Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, методик и алгоритмов.
В первой главе проведен анализ производственной деятельности и принципов управления предприятиями (ГУП «Мосгортранс», «Автокомбинат №1» и другие) показал, что практически на всех них отсутствуют аналитические отделы, в функциональные обязанности которых входит анализ деятельности, основанный на научных принципах и подходах к организации управления. Связь с региональными структурами не отвечает современным требованиям. Почти не используется современные аналитические методы прогнозирования, классификации и др. Решение частных сводится к простому программированию, практически без использования имеющегося задела и использования мощных математических пакетов.
Проведен анализ и систематизация методов и моделей компьютерного тестового контроля. Рассмотрены: критерии оптимальности факторных планов, которые используются для автоматизации построения системы гетерогенных тестов; моделей IRT-теории для имитационного моделирования результатов ответов тестируемого, моделей марковских цепей для моделирования процедур адаптивного тестового контроля; методы дискриминантного анализа для решения задач классификации; стохастической аппроксимации для построения конструктивных механизмов предъявления тестовых заданий различной сложности; одномерного шкалирования для переоценки сложности заданий и другие.
Проведен анализ методов моделирования и управления транспортными средствами. Рассмотрены эмпирические модели погружения штампа, что дает оценку характеристик грунта; оценочных показателей и характеристик микропрофиля поверхности автомобильных дорог, а также других методик основанных на статистической обработке результатов экспериментальных данных (практически весь спектр методов анализа покрывает пакет Statistica).
В области финансового анализа существует множество аналитических пакетов (например MetaStocc и др.), однако они носят сугубо специализированный характер и для реализации методик необходим значительный объем программирования. В диссертации проведен анализ методов частных моделей и методов: чистой текущей стоимости NPV (Net Present Value), для которого используются модели анализа чувствительности к аннуитетам и дисконтным ставкам; модели аппроксимации; сетевой модели реализации этапов инновационных проектов в условиях стохастических и лингвистических неопределенностей; методик финансовой устойчивости и других. Проведен анализ принципов создания СППР. Показано, что автоматизация процесса поддержки принятия решения, требует использования базы параметризуемых моделей, правил вывода и т.п. В результате показано, что в целях повышения эффективности системы управления необходима разработка новых методов и методик создания гибридных систем поддержки принятия решений, инвариантных к предметным областям, с открытой структурой, основанных на интеграции разнородных пакетов.
Во второй главе разработана концепция, методы и модели открытой гибридной системы поддержки принятия решений с целью создания единой базы данных, методов, моделей и методик в виде отдельных компонентов, согласованных по интерфейсным связям и параметрам, с возможностью формирования их алгоритмической структуры.
Проведена параметризация исполняемых приложений на основании разработки универсального описания компонентов системы, независимого от предметной области с использованием принципа «вход-выход-параметризация».
Выполнена формальная декомпозиция структуры гибридной системы, определены управляющие и информационные связи, что позволяет сделать систему открытой для включения новых методов, моделей и данных, тем самым сформировать функционал программных приложений.
Разработаны принципы формализации пользовательского функционала, который обеспечивается конструкторами гибридной среды и проигрывателем сценария, которые определяют иерархию приложений, их алгоритмическую структуру и параметризацию при активации с возможность запуска произвольного количества параллельных процессов.
Для параллельных пользовательских процессов, которые активируются в сетевой среде, реализованы механизмы синхронизации. Они выполнены на основе общего поля данных по принципу «положил-взял» и непосредственного взаимодействия фрагментов параллельных ветвей одного сценария.
В третьей главе проведен анализ вида автоковариационных функций для широкого спектра имитационных моделей различных предметных областей, в том числе для моделирования систем массового обслуживания. Проведены эксперименты по оцениванию трендов переходных режимов среднего времени пребывания. Разработаны модели анализа точности оценки с учетом сброса статистики, накопленной на начальном периоде моделирования.
Показано, что длительность интервала сброса статистики существенно отражается на дисперсии оценки в сторону ее увеличения, то есть уменьшения точности. Смещение математического ожидания оценки также существенно зависит от длительности интервала сброса, который уменьшает систематическую погрешность оценки среднего значения. В качестве свертки в работе предлагается использовать вероятность попадания оценки в заданный интервал погрешности.
Проведено исследование влияния восстановления состояния на скорость сходимости алгоритмов оптимизации на имитационных моделях. Алгоритмом с восстановлением, если каждый модельный эксперимент начинается из одного и того же начального состояния. Алгоритм без восстановления - когда каждый очередной эксперимент начинается с точки окончания предыдущего.
В четвертой главе на основе созданной концепции разрабатываются методики и компоненты гибридной системы поддержки принятия решений для рассмотренных предметных областей. Показана инвариантность к предметным областям на примере анализа процедур тестового контроля, расчета взаимодействия технологических машин с грунтом и оценки финансово-экономического анализа предприятий промышленности и транспортного комплекса. Проведен ряд модельных экспериментов, в результате которых получены новые результаты по расширению существующих методик прогнозирования и кластеризации.
Для решения задач поддержки принятия решений в задачах анализа характеристик грунта и характеристик транспортной системы на базе предложенной концепции разработана методика формализованного описания компонентов системы. Нижний уровень предполагает выбор или формирование новых эмпирических характеристик грунта и микропрофиля, которые необходимы для расчета дифференциальных и интегральных характеристик каждого колеса. Независимо от метода, по которому получены характеристики, должен быть реализован формальный переход к расчету тяговых характеристик многоколесной машины.
Разработана единая структура моделей тестового контроля, приведенная в первой главе, которая за счет механизмов параметризации входных и выходных данных позволяет создавать методики конструирования тестов и оценивать их эффективность.
В пятой главе рассматриваются вопросы построения программного комплекса гибридной среды СППР с использованием разработанных принципов интеграции. Приведен список приложений с описанием их основных функциональных возможностей. Рассматриваются вопросы использования различных программных технологий для оперативной реализации методик. Разработана структура базы данных, обеспечивающая реализацию функций обмена данными между приложениями. Распределенная структура СППР предполагает использование конверторов из имеющихся первичных баз данных, традиционно сложившихся на предприятиях во вторичные базы данных системы мониторинга, с тем, чтобы не нарушить сложившуюся систему документооборота с одновременной возможностью оперативного сбора и аналитической обработки разноплановой информации.
В заключении представлены основные результаты работы. В приложении приводятся акты внедрения результатов диссертационной работы.
Научную новизну работы определяет концепция и теоретические основы создания гибридных систем поддержки принятия решений с открытой структурой для автоматизации управления в различных предметных областях. В ходе исследования получены новые научные результаты, выносимые на защиту:
• структурная декомпозиция функциональных приложений программно-моделирующего комплекса системы поддержки принятия решений;
• методика синхронизации, блокировок и согласования по данным разнородных программных приложений, включенных в гибридную среду;
• модель нестационарного процесса, порождаемого имитационными моделями;
• модель анализа сходимости алгоритмов оптимизации на переходных режимах имитационных процессов;
• гибридная методика прогноза показателей развития и кластеризации промышленных предприятий на основе формальной композиции методов главных компонентов, факторного анализа и экспоненциального сглаживания и формальной грамматики языка описания;
• методика и формальный язык генерации адаптивных гетерогенных тестов на основе формальной композиции методов и моделей тестового контроля;
• методика автоматизации процессов аналитической обработки экспериментальных данных для поиска и оценки адекватности новых эмпирических зависимостей взаимодействия контактной площадки движителя с грунтом и как следствие новые аналитические зависимости.
Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов, изложенных в работе, определена корректным использованием современного математического аппарата, проверкой согласования результатов аналитических моделей с эквивалентными по формализации компонентами имитационной модели процессов управления. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения на предприятиях и в организациях.
Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования. Они представляют непосредственный интерес в области комплексной автоматизации процессов управления и принятия решений в различных предметных областях. Методы и алгоритмы, а также программные средства могут быть использованы при решении задач автоматизации крупных государственных и коммерческих предприятий и организаций.
Разработанные методы и алгоритмы прошли апробацию и внедрены для практического применения в ОАО «ЦНИИ «Электроника», ЗАО "НПВФ "СВАРКА", ООО «Техноком», ФГУП «ГосНИИ «Аэронавигация», а также используются в учебном процессе в МАДИ(ГТУ).
Содержание отдельных разделов и диссертации в целом было доложено и получило одобрение:
• на Российских, межрегиональных и международных научно-технических конференциях и семинарах (1976-2005 гг.);
• на заседании кафедры АСУ МАДИ(ГТУ).
Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований в области автоматизации и информатизации составляет новое направление в области теоретических и практических методов принятия решений и выбора стратегий управления в различных предметных областях, в том числе и на промышленных предприятиях.
По результатам выполненных исследований опубликовано 68 печатных работ.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, опубликованных на 339 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 25 таблиц, список литературы из 223 наименований и приложения.
