Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ процессов и проблем оперативного управления объектами железных дорог 13
1.1. Характеристика процессов оперативного управления на сортировочной станции 13
1.2. Анализ методов управления технологическими процессами на участках железных дорог 19
2. Основные принципы построения информационно-управляющих комплексов железнодорожного транспорта 25
2.1. Функционально-блочная структура систем автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях и участках железных дорог 25
2.2. Техническая структура и технология работы локальных комплексов автоматизации 40
2.3. Проблемы разработки эргатических систем управления 45
2.4. Анализ существующих подходов к описанию эргатических систем 53
3. Развитие методов активизации использования интуиции специалистов 60
3.1. Разработка механизма обучения машинных блоков принятия решений 60
3.2. Методы представления знаний в человеко-машинных комплексах 73
3.3. Разработка теории ситуационного управления объектами железнодорожного транспорта 78
4. Развитие методов формализованного представления эргатических систем 88
4.1. Идентификация структуры эргатической системы на основе когнитивного анализа 88
4.2. Оценка эффективности функционирования эргатических систем с помощью теории массового обслуживания 94
4.3. Применение принципов самоорганизации процессов в эргатических системах 99
5. Разработка и адаптация инструментария, методического и математического обеспечения функционирования человеко-машинных комплексов 103
5.1. Разработка механизмов описания взаимодействия элементов систем 103
5.2. Развитие методов формализации и согласования экспертных мнений 119
5.3. Разработка методики моделирования эргатических систем 126
5.4. Применение разработанных подходов и методов при создании сложных человеко-машинных комплексов 127
Заключение 136
Список использованной литературы 138
Приложение 153
- Характеристика процессов оперативного управления на сортировочной станции
- Функционально-блочная структура систем автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях и участках железных дорог
- Идентификация структуры эргатической системы на основе когнитивного анализа
- Разработка механизмов описания взаимодействия элементов систем
Введение к работе
Актуальность работы
Ускорение научно-технического прогресса, требование повышения эффективности и конкурентоспособности народного хозяйства страны в целом и систем управления им, в частности, способствует активному внедрению в практику управления сложными объектами новых технических средств и технологий управления. Не исключением является и железнодорожный транспорт. Планы научно-технического перевооружения отрасли /60/ включают: разработку автоматизированных систем поддержки решений высшего руководства отрасли; технологии и формализованные технологические моделей управления по всем хозяйствам, традиционные вопросы совершенствования перевозочного процесса на участках и сортировки вагонов на станциях; развитие систем автоматизированного управления сложными организационно-технологическими объектами транспорта.
На основе статистических исследований установлена структура затрат времени в процессе эксплуатации грузового вагона: в движении он находится 22% времени, на технических станциях 38%, под грузовыми операциями 35%. За время среднего оборота вагона (8,6 суток) он 13 раз обрабатывается на технической станции /102/. Этот анализ выявляет ресурсы повышения эффективности работы железнодорожного транспорта и объясняет необходимость разработки новой структуры управления перевозочным процессом. Переломным моментом в создании нового поколения автоматизированных систем управления сортировочными процессами стало внедрение микропроцессорных средств управления. Они обеспечили эффективный стык напольных устройств контроля и управления и вычислительных систем, формируемых на базе ПЭВМ и позволяющих внедрить в технологии сортировки современные кибернетические методы управления.
Вместе с тем, внедрение современных информационных технологий и технологий управления, вычислительной техники в практику работы отрасли ставит перед разработчиками автоматизированных систем управления ряд новых вопросов, важнейшими из которых являются: согласование места и роли человека и машины в человеко-машинных комплексах управления; обеспечение взаимного обучения технической и биологической составляющих комплексов; минимизация последствий эмоционально-психологической неустойчивости человека, порождаемой стрессами, усталостью, низкой квалификацией и другими причинами. Максимальное использование возможностей вычислительной техники для обеспечения надежности функционирования систем управления в этих ситуациях.
Актуальность поставленных вопросов подтверждается целым рядом примеров. Достаточно вспомнить и проанализировать катастрофы на железнодорожном транспорте в Каменске (Ростовская область) и в небе Германии (2002г.), причинами которых явились ошибки и неотработанные механизмы взаимодействия операторских звеньев.
Степень разработанности проблемы.
Проблемы развития и внедрения автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте рассматривались в работах Л.А. Баранова, В.А. Буянова, В.Н. Иванченко, И.Д. Долгого, Е.А. Сотникова, Е.М. Тишкина, Е.М. Ульяницкого, А.А. Явны и др.
Применение и развитие кибернетических методов в эргатических системах управления, к каковым относятся исследуемые объекты, рассматривались в различных аспектах, связанных с многообразием возникающих проблем.
Работы по развитию методов самоорганизации, позволяющих снизить роль субъективного фактора при моделировании автоматизированных систем, проводились С. Биром, Д. Табором, А.Г. Ивахненко, Ф. Розенблаттом, Д. Фогелем, У. Эшби. В сфере применения указанных методов на железнодорожном транспорте посвящены работы А.Н. Гуды, В.Н. Иванченко, Н.Н. Лябаха.
Вопросы применения когнитивного анализа для исследования сложных, слабоструктурированных систем рассмотрены в работах Г.В. Гореловой, Э.А. Трахтенгерца. Аналогичные проблемы в области железнодорожного транспорта исследованы в трудах В.Н. Иванченко при создании информационно-логических устройств управления.
Теория массового обслуживания развивалась в работах Е.С. Вентцель, Г. Поттгоффа. В рамках исследуемой темы - М.А. Бутаковой, И.Д. Долгим, Н.Н. Лябахом.
Исследования в области теории игр, используемой для описания взаимодействия элементов эргатических систем, базируются на работах Дж. Мак-Кинси, Н.П. Воробьева.
Вопросы применения теории нечетких множеств на железнодорожном транспорте, обеспечивающие формализацию опыта и интуиции оператора-эксперта, использующего лингвистические и нечеткие выражения и схемы принятия решений, разрабатывались Н.М. Фонаревым, Л.С. Берштейном, СМ. Ковалевым, А.Н. Шабельниковым.
Проблемы распознавания образов на транспорте исследованы А.Е. Пйроговым.
Вместе с тем, исследования указанных авторов решают конкретные задачи автоматизации сложных процессов. Вопросы согласования интересов технической и биологической составляющих автоматизированных систем управления на железнодорожном транспорте и методика совместного использования указанного аппарата для совершенствования исследуемых технологических процессов в должной степени не проработаны.
Цель диссертационной работы - разработка принципов и формализованных методов построения эргатических систем управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте.
Задачи:
Проанализировать процессы оперативного управления сортировочной станцией и движением поездов на участках железных дорог.
Разработать принципы, структуру и технологию функционирования локальных информационно-управляющих комплексов железнодорожного транспорта.
Исследовать роль и место человека (задатчика цели, оператора, биологической составляющей системы принятия решений) в комплексе информационно-управляющих подсистем железнодорожного транспорта с оптимальным распределением функций.
Обосновать виды моделей и методы идентификации производственных процессов и процедур принятия решений в системе управления выделенными объектами исследования.
Развить алгоритмы и методы интеллектуализации процедур решения прикладных задач при построении АСУ на основе создания экспертных и диалоговых подсистем.
Исследовать возможности и особенности внедрения в практику управления разрабатываемых подходов и методов.
Объект исследования - эргатические системы управления на железнодорожном транспорте (на примере систем оперативного управления сортировочной станцией и участками железных дорог).
Предмет исследования - принципы построения локальных комплексов информационно-управляющих систем железнодорожного транспорта, организационно-технологическая структура, модели функционирования и методы анализа эргатических систем.
Методы исследования - системный анализ процессов управления сложными объектами железнодорожного транспорта и процедур взаимодействия человека и технических средств, когнитивный анализ, теория нечетких множеств, теория распознавания образов, корреляционно- регрессионный анализ, теория игр, методы самоорганизации сложных процессов.
Научная новизна исследований, проведенных в диссертационной работе, состоит в следующем:
Разработаны принципы построения и функционирования, а также технические структуры локальных информационно-управляющих комплексов (ЛИУК) сортировочной горки (КГМ), парков приема (ПП), формирования (ПФ), отправления (ПО) на сортировочной станции и системы управления движением поездов на участке (ДЦ-ЮГ).
Сформулированы направления использования и подходы к построению эргатических систем управления объектами железнодорожного транспорта.
Уточнен категориальный аппарат синтеза эргатических систем, осуществлена классификация элементов этих систем и построены модели их взаимодействия.
Проведена классификация математических методов построения систем автоматизации оперативного управления процессами на железнодорожном транспорте, на основании которых развиты алгоритмы и методы интеллектуализации машинных схем принятия решений.
Предложены механизмы построения формального описания эргатических систем на основе когнитивного анализа, теории массового обслуживания, методов ситуационного управления.
Практическая ценность.
Современное состояние теории эргатических систем позволяет создавать содержательные модели, отражающие смысл их функционирования, но не позволяет использовать мощный математический аппарат в качестве инструмента синтеза конкретных человеко-машинных комплексов. Переход от содержательных представлений к формальным моделям, предлагаемый в данной диссертации, обеспечивает создание реальных, согласованных с интересами среды функционирования объектов автоматизации железнодорожного транспорта.
Реализация результатов работы.
В процессе исследования создан ряд формализованных моделей, позволяющих с различных позиций описать эргатическую систему в целом и взаимодействие ее отдельных элементов, разработаны механизмы интеллектуализации технических звеньев принятия решений. Указанные материалы включены в отчет по научно-исследовательской работе «Разработка принципов и методов построения системы управления технологическими процессами на железнодорожном транспорте», выполненной в интересах НТЦ «ИНТЕХ» (приложение, стр. 177-182 ).
Апробация работы.
Основные положения работы докладывались на различных семинарах и конференциях РГУПС (1985-2002) и совещаниях экспертов международного сотрудничества по заданию 1.1.2 «ИУС сортировочных и грузовых станций» (Нальчик 1988; ПНР: Закспане, 1988; Донецк, 1989), Всесоюзной научно-технической конференции «Пути совершенствования перевозочного процесса и управления транспортом» (Гомель, 1985), III Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи, 2002), обсуждались на отраслевых совещаниях.
Внедрение результатов научных исследований .
Комплекс по автоматизации оперативного управления районом парка прибытия (ЛИУК-ПП) Южной сортировочной системы ст. Красный Лиман Донецкой железной дороги внедрен в 1988 году. Акт приемки комплекса, протокол приемочных испытаний и расчет годового экономического эффекта от внедрения ЛИУК-ПП прилагаются (приложение, стр. 155-166 ). На участке Краснодар-Тихорецкая С-Кжд в постоянную эксплуатацию включена диспетчерская централизация ДЦ-ЮГ с РКП в 2001 году. Акт и протокол приемочных испытаний прилагаются (приложение, стр. 167-176 ). Всего на С-Кжд системой ДЦ-ЮГ с РКП оборудовано более 80 станций.
Результаты научных исследований включены в учебный процесс РГУПС (приложение, стр. 154).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 18 печатных и 7 рукописных работ общим объемом более 12 п.л. Материалы диссертационного исследования включены также в отчеты по научно-исследовательским работам лаборатории систем диспетчерского контроля и управления РГУПС за 1991-2002 гг.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, включающих 16 параграфов, заключения, списка использованной литературы, содержащего 147 наименований и приложение. Общий объем диссертации 182 страницы.
Характеристика процессов оперативного управления на сортировочной станции
Согласно утвержденного МПС типового технологического процесса работы сортировочной станции /123/ оперативное планирование и управление поездной и грузовой работы производится в следующих временных интервалах: сутки, смена, 4-6 часовые периоды в течении смены.
Суточный план-задание передается на станцию за 3 часа до начала планируемых суток и содержит следующие сведения: -общее количество поездов, подлежащих приему станцией с каждого направления с подразделением на транзитные и разборочные; -общее количество поездов, которое должно быть отправлено со станции на каждое направление с указанием количества поездов своего формирования, в том числе поездов повышенного веса и длины, и соединенных; -задание по отправлению порожних вагонов в регулировку с указанием направления следования и рода подвижного состава; -размеры погрузки, выгрузки с выделением важнейших грузов; -задание на погрузку отправительских маршрутов и ступенчатых маршрутов; -количество порожних вагонов, которые должны прибыть под погрузку; -другие задания, исходя из местных условий работы станции (промывка вагонов, экипировка рефрижераторного подвижного состава, оборудование вагонов под перевозку специальных грузов и др.).
Периодически (как правило, на половину суток) планирование корректируется. Схема оперативного управления работой сортировочной станции представлена нарис. 1.1 /123/.
Сменное задание передается не позднее чем за 1 час до начала смены, составляется на основе суточного плана -задания, осуществляется начальником станции или его заместителем. В свою очередь сменное задание является основой текущего планирования работы станции по 4-6 часовым периодам.
В процессе текущего планирования производится: -составление плана приема поездов при содержании оптимального чередования подвода на станцию поездным диспетчером разборочных и транзитных поездов, исходя из обеспечения необходимых условий взаимодействия в работе перегона, парка прибытия и горки; -расчет плана составообразования, которым устанавливается время окончания накопления вагонов на полный состав, окончание его формирования и время готовности каждого состава к отправлению; -определение локомотивным диспетчером и дежурным по депо порядка использования прибывших на станцию локомотивов и локомотивных бригад, с учетом наличия их на стации и в локомотивном депо; -составление плана отправления поездов с подвязкой локомотивов и локомотивных бригад к составам своего формирования и транзитных, а поездов - к ниткам графика движения. Исходными данными для составления плана составообразования и отправления поездов являются: -телеграммы - натурные листы на все поезда, прибывшие в полную или частичную переработку (кроме сборных, вывозных и передаточных поездов); -телеграммы - сводки на вывозные и передаточные поезда; -план подвода поездов, передаваемых из отделения дороги; -данные о наличии на путях станции поездов и вагонов по назначениям плана формирования к началу периода планирования; -данные о наличии и ожидаемом поступлении локомотивов и локомотивных бригад для обеспечения вывоза поездов; -данные о количестве, назначениях и предполагаемом времени уборки вагонов на пути станции после окончания грузовых операций; -технологические нормы времени на выполнение операций с поездами и вагонами. Расчет составообразования по 6 -часовым периодам производит оператор технической конторы. По окончании разработки плана составообразования оператор сообщает станционному (маневровому) диспетчеру время предполагаемого окончания формирования составов по назначениям плана формирования поездов.
Маневровый диспетчер доводит план до исполнителей: дежурных по станции, горке, паркам, локомотивному депо, оператора ПТО и дает задание по работе на ближайшие 1-2 часа.
Схема получения информации и планирования работы станции, описанная выше и соответствующая типовому технологическому процессу работы сортировочной станции /123/, представлена на рис. 1.2. Она определяет взаимодействие ДНЦ, ДСЦМ, ДСЦС, ДНЦО, ДСЦ и ТНЦ.
Крупные сортировочные станции сети железных дорог оборудованы автоматизированными системами управления сортировочными станциями (АСУ СС). Основными задачами АСУ СС являются: 1. Обработка информации о подходе поездов и подготовка составов к реформированию. 2. Непрерывный учет наличия и расположения вагонов на сортировочных путях и подготовке поездов к отправлению. 3. Планирование работ станции. 4. Анализ информации и качества выполнения заданий формирования поездов. 5.Составление станционной отчетности.
Функционально-блочная структура систем автоматизации технологических процессов на сортировочных станциях и участках железных дорог
Объектом исследования данной диссертационной работы являются эргатические системы на железнодорожном транспорте. На рис. 2.1 представлена структура ИУС-СС, предназначенная для автоматизации процессов сбора, обработки, хранения, отображения информации и принятия управленческих решений диспетчерским персоналом /72/. Связь ИУС-СС с технологическим процессом и устройствами станционной автоматики осуществляется через ЛИУК-ПП, ЛИУК-ПФ, ЛИУК-ПО и КГМ. Каждый из указанных комплексов представляет собой набор субблоков и модулей, промышленно выпускаемых микропроцессорных средств диспетчеризации, телемеханики, автоматики, размещенных в унифицированных конструктивах и имеющих непосредственную связь с исполнительными устройствами (стрелки, рельсовые цепи, замедлители, скоростемеры и др.). Указанные технические средства автоматизации хорошо согласовываются с оперативно-диспетчерским оборудованием рабочих мест диспетчеров и операторов исследуемых технологических процессов. Информация о ходе процесса поступает как от устройств автоматики, так и от оперативно-диспетчерского персонала, которая затем передается в банк оперативно-технологических данных информационно-планирующей системы (ИПС).
ЛИУК-ПП (рис. 2.2) обеспечивает формирование следующих данных: номер подхода, с которого прибывает поезд, время и путь прибытия поезда, продолжительность простоя поезда у входного светофора, время обработки поезда в парке приема, местоположение маневровых и поездных локомотивов и др. В ЛИУК-ПП поступает также информация об окончании обработки поездных документов из технической конторы, результатах и времени окончания технического и коммерческого осмотров.
Процесс поездообразования завершается в ЛИУК-ПФ и ЛИУК-ПО. Техническая структура и характер информационных потоков в этих комплексах аналогичны рассмотренным выше (рис. 2.2).
КГМ-РИИЖТ представляет собой совокупность технических и программных средств, обеспечивающих расчет переменной скорости роспуска, контроль расцепа отцепов, управление маршрутами движения отцепов и контроль хода роспуска, регулирование скоростей движения отцепов по всем тормозным позициям, контроль заполнения путей, учет накопления вагонов в контролируемой зоне подгорочного парка, автоматизацию корректировок роспуска и оперативного управления маневровыми работами в подгорочном парке, отображение хода роспуска и оперативно-технологических данных эксплуатационному персоналу, обмен информацией с АСУ СС и др. /72/. Техническая структура комплекса представлена на рисунке 2.3. В ее составе набор микропроцессорных блоков, располагаемый в компоновочных каркасах. Все блоки распределены по локальным подсистемам, условно названным с учетом их функционального назначения: «диспетчер», «скорость», «маршрут», «информация-управление».
Подсистема «диспетчер» с помощью локального координатора 12 обеспечивает информационный обмен с подсистемами, обработку сигналов от кнопок выбора тормозных позиций пульта оператора (20), обработку сигналов о состоянии горочных светофоров. Блок 26 «диспетчера» обеспечивает двухстороннюю связь с АСУ СС и осуществляет формирование программ роспуска, формализованную проверку на правильность подготовки и выдачу информации оперативному персоналу о конфликтных ситуациях. Микропроцессорные блоки 14 и 15 этой подсистемы обеспечивают взаимодействие дежурного по горке с управляющим комплексом с помощью терминала 21, отображение диалога оператора с системой на индикаторах 22, корректировку программы роспуска с пульта дежурного 19, отображение результатов программы роспуска в процессе ее реализации, ручной ввод программы роспуска с пульта дежурного при необходимости (отсутствие связи с АСУ СС). Функциональный блок 13 служит для отображения оперативно-технологической информации эксплуатационному персоналу: текущее состояние на спускной части горки; диаграммы результатов расчета условного роспуска и др.
Подсистема «скорость» содержит микропроцессорные блоки 16-18. Она обеспечивает: - обучение комплекса на внесистемном уровне, основывающееся на анализе вагонопотока и состоящее в построении классификатора отцепов по ходовым свойствам и получении моделей их скатывания; - предварительный расчет управления, выполняемый локальным координатором 16 (указываются скорости входа и выхода каждого отцепа по всем тормозным позициям, удовлетворяющие заданным критериям: минимум времени роспуска, максимум надежности управления роспуском); - оперативную коррекцию режимов управления и адаптацию моделей в реальном масштабе времени, когда для каждого отцепа планируемые данные сравниваются с фактическими и по рассогласованию в каждом , конкретном случае вычисляются поправки к скоростному режиму скатывания, а при систематических ошибках осуществляется адаптация моделей движения отцепов и функционирования тормозных позиций.
Идентификация структуры эргатической системы на основе когнитивного анализа
Анализ проблем синтеза и функционирования эргатических систем (см. раздел 2.2) проводился в предположении об известности их структур. Опыт же работы систем управления сложными объектами вообще и железнодорожным транспортом в частности показывает, что для такого предположения нет достаточных оснований. Данный вывод применим практически к любым системам, независимо от способа конкретной их реализации.
Строки, в которых эргатические системы имеют несомненные преимущества наиболее важны для железнодорожного транспорта. В самом деле, с точки зрения автоматизации железнодорожный транспорт является сложным объектом управления. Несмотря на то, что понятие «сложность» по разному трактуется у различных авторов, практически все ее свойства обнаруживаются у исследуемых объектов железнодорожного транспорта (значительное количество элементов, многомерность, нелинейность, нестационарность и пр.). В графе, соответствующей возможности управления сложным объектом, системой социального типа стоит минус, поскольку эффективность управления в данном случае обеспечивается за счет иерархической схемы построения самой системы и разделения функций между ее элементами (отдельными людьми, коллективами).
Второй существенный признак, определяющий выбор типа системы управления в пользу эргатических - способность адекватной обработки нештатных ситуаций. Социальные системы в этом случае подвержены потере организационных структурообразующих связей (например, возникновение паники во время стихийных бедствий), в результате чего система становится неработоспособной. Технические устройства, несмотря на то, что уже появились системы со способностью к обучению, нечеткими алгоритмами принятия решений, все же реализуют конечное множество управлений, заложенное при проектировании.
Как следует из вышесказанного, важной составляющей эффективности функционирования систем является структура системы управления, ее способность адаптироваться к изменяющимся условиям внешней среды. Определение структуры - первый этап исследования существующих и синтеза новых эргатических систем управления.
Как известно /6, 128/, системы принято классифицировать как структурированные, слабоструктурированные и неструктурированные.
Слабоструктурированные системы характеризуются наличием как качественных, так и количественных элементов. Неопределенные, не поддающиеся количественному анализу зависимости, признаки и характеристики имеют тенденцию доминировать в этих смешанных системах. В настоящее время реализация управления в эргатических системах данного типа проводится с помощью вычислительной техники. Процессы передачи ЭВМ изначально неформализованных знаний (когнитология или инженерия знаний /128/) являются одним из аспектов проблемы, рассматриваемой в данной работе (см. разделы 3.2, 3.3, 4.1).
Структуризация или концептуализация, рассматриваемая как применительно к объектам железнодорожного транспорта, так и по отношению к эргатическим системам, характерна тем, что: разрабатывается структура полученных знаний о предметной области, то есть определяется список основных понятий, выявляются отношения между ними, определяются внешние по отношению к объекту структуризации связи. Результаты структуризации представляют, как правило, в виде графов, таблиц, текста. Одним из методов структуризации является описание элементов, связей и отношений на специальных формальных языках, близких к естественному. Один из возможных вариантов такого языка для описания систем железнодорожного транспорта предложен в разделе 3.3 настоящей работы.
По сравнению с семантической моделью описания системы, графы являются более наглядными, поэтому ниже рассмотрим процесс когнитивной структуризации с использованием модели многокомпонентных систем в виде ориентированных графов, называемых также когнитивными картами /41, 128/.
Когнитивные карты представляют собой некоторые геометрические конфигурации, состоящие из точек и линий. В этих конфигурациях несущественно, как изображено соединение точек: линией или кривой; несущественны длины соединения и другие геометрические характеристики. Важно лишь то, что каждая линия соединяет какие-либо две из заданных точек. Эта особенность геометрического представления особенна удобна для отображения связи различных факторов и показателей. При когнитивном моделировании сложных систем можно выявить и отобразить в моделях прямые и обратные связи между компонентами, выявить длинные цепочки причинно-следственных связей, объясняющих их, распространение возмущающих и управляющих сигналов в системе. Благодаря отображению в моделях связей и взаимовлияний, результаты анализа оказываются гораздо более достоверными, нежели при использовании традиционных методов. Отметим и еще одно преимущество когнитивных карт. По сути они определяют базис для выбора структуры модели (см. пример из раздела 2.3). Кроме того, наглядность и относительная простота решения многокомпонентных задач делают их доступными широкому кругу практиков, повышают эффективность и снижают время принятия решений, облегчают интерпретацию результатов взаимодействия компонентов сложного объекта, реакций на внешние воздействия.
Когнитивная карта фиксирует лишь факт наличия влияния факторов друг на друга. В ней не отображается ни детальный характер этих влияний, ни динамика изменений влияний в зависимости от изменений ситуации, ни временные изменения самих факторов.
Учет всех этих обстоятельств требует перехода на следующий уровень структуризации информации, отображенной в когнитивной карте, то есть необходим переход к когнитивной модели.
На уровне когнитивной модели каждая связь между факторами когнитивной карты раскрывается до соответствующего уравнения. Таким образом, когнитивная модель - это функциональный граф, в котором концепты (вершины) являются базисными факторами ситуации, дуги представляют собой некую функциональную зависимость между соответствующими базисными факторами.
Ситуация характеризуется прежде всего набором базисных факторов, с помощью которых описываются процессы изменения состояний. Например, состояние стабильности, когда значения факторов не меняются в течение некоторого времени. Факторы могут влиять друг на друга, причем, когда увеличение (уменьшение) одного фактора приводит к увеличению (уменьшению) другого, то говорят, что связь прямая положительная. При этом над дугами может быть поставлен знак «+». Если же увеличение (уменьшение ) значения одного фактора приводит к уменьшению (увеличению) другого (обратная связь), то над дугой может быть поставлен знак «-».Если характер влияния не ясен на данном этапе моделирования, то знак не обозначается.
Разработка механизмов описания взаимодействия элементов систем
Элементами эргатических систем являются технические звенья, отдельные субъекты и их группы, выступающие как единое звено принятия и исполнения решений. Между элементами устанавливаются различные отношения: передачи, приема информации, хранения (включая проблему ее защиты), сжатия (агрегирования), принятия совместных (коалиционных) и индивидуальных (но зависимых) решений.
Вопросы передачи и приема информации с учетом эффективного и/или помехоустойчивого кодирования рассмотрены достаточно подробно в соответствующих курсах теории информации и в рамках избранного направления и темы исследования научного интереса не имеют.
Сжатие информации в контексте данной работы имеет отличный от широко используемого представления смысл. Имеется в виду необходимость учета иерархичности эргатических систем (см. рисунок раздела 2.3). Различные уровни иерархии владеют разной по степени обобщенности информацией. Сверху вниз информация продвигается расширяясь, обретая конкретные содержательные трактовки и исполнителей. Снизу вверх происходит обратный процесс. Поэтому для любой иерархической системы имеет место многокритериальная оптимизационная задача, в процессе решения которой следует ответить на вопросы: - какова степень сжатия информации на каждом уровне, обеспечивающая такое число уровней, при котором а) теряется минимум информации, б) общая обработка осуществляется за минимальное время, с минимальными затратами; - какая структура эргатической системы обладает максимальной эффективностью. Механизмы сжатия информации зависят от степени разветвленности системы (число подчиненных элементов), сложности технологических процессов и многих других факторов. Поставленная задача актуальна и обладает достаточной самостоятельностью, научной новизной, но выходит за рамки настоящей диссертационной работы.
Предметом исследования данного раздела являются механизмы принятия решений элементами эргатических систем. Выше (п. 1.3) введена классификация звеньев на технические (ТЗ) и субъекты управления (С). Эта классификация определяет три типа отношений: ТЗ-ТЗ, ТЗ-С, С-С. В дальнейшем для удобства будем полагать, что участников взаимодействия только два.
Коэффициенты матрицы могут быть определены на основании результатов статистических наблюдений или опроса экспертов. Хотелось отметить, что данный пример является упрощенным, приводимым с целью иллюстрации предложенного механизма. В частности, он не учитывает длительность торможения, момент начала торможения, возможности переключения ступени торможения.
Если гарантированно известно, что управляемый отцеп принадлежит, например, к типу плохих бегунов, то, согласно (5.2) следует избрать первую ступень торможения. Тип бегуна определяется набором значений целого ряда факторов: веса отцепа, типа подшипника, рода вагонов, количества осей и вагонов в отцепе и др., поэтому, как правило, его априорная принадлежность к одному из заданных типов неизвестна.
В начале описания взаимодействия двух ТЗ мы отметили, что каждый из них использует опыт своей деятельности. В чем это выражается? Матрица (5.1), характеризующая выигрыш (затраты), возникающие при различных комбинациях взаимодействия ТЗ, учитывает предыдущую статистику, если ее элементы определены статистическим путем и интуицию и опыт оператора, если экспертным путем. Если в данной системе организована обратная связь, то элементы матрицы могут итеративно изменяться в процессе функционирования системы, то есть происходит дообучение системы (если первоначальных данных было недостаточно) и переобучение (если процесс функционирования нестационарен). Один из возможных путей адаптации системы рассмотрен в пункте 2.1. Таким образом, система в процессе своего функционирования, накапливая опыт, стремится к оптимальному режиму.
Рассмотрим далее возможные варианты математических моделей, описывающих взаимодействие двух субъектов управления (С-С). Характерной чертой этого взаимодействия является наличие конфликта сторон, неопределенность отношений, возможность блефа при принятии решений. Наиболее адекватным аппаратом в этих условиях можно считать теорию игр. Самым простым вариантом математических моделей, описывающих взаимодействие двух сторон, являются так называемые матричные игры /21, 34, 94/.
Взаимодействие ТЗ и С, очевидно, представляет собой промежуточный вариант между рассмотренными выше. Адекватным математическим аппаратом исследуемого взаимодействия являются, так называемые, игры с «природой» /93,94/. В качестве игрока, обозначаемого как «природа» выступает техническое звено, так как оно является незлонамеренным участником игры.
В повышении интенсивности работы объектов железнодорожного транспорта большая роль принадлежит разработке и внедрению новейших средств комплексной автоматизации технологических процессов на базе микропроцессоров. Вновь создаваемые системы должны обеспечить: высокую надежность управления, принятие оптимальных решений с учетом большого количества разнохарактерных факторов, высокие скорости обработки информации в условиях неопределенности, оптимальное согласование характеристик человека-оператора с техническими звеньями.
Наглядным примером является задача выбора очередного состава в парке приема (ПП) для надвига на горку. Эта задача требует учета времени прихода состава на станцию (ранее пришедшие, очевидно, обладают большим приоритетом), среднее время простоя вагонов и грузов, характер завершенности составов (по длине и весу) в подгорочном парке и загруженность ниток графика, технические и технологические возможности станции и ее подразделений и др.
Таким образом, специфическими особенностями работы автоматизированной системы управления сортировочной станцией являются /48, 88/: многокритериальное задачи управления (в указанном примере в качестве критериев могут выступать показатели готовности составов по весу, длине с учетом среднего времени простоя вагонов в ПП); большая размерность задач контроля и управления (в данном случае следует оценить обстановку на всех путях подгорочного парка, парка отправления и ПП, количество и характеристики отцепов в составах, наличие локомотивов и др.); недостаточная математическая формализуемость исследуемых процессов (невозможно выразить с помощью формул, например, зависимость накопления состава по весу от порядка роспуска составов); нестационарность процессов, характеризующаяся изменением структуры и параметров вагонопотока в течение года; высокая степень неопределенности оперативно-технологических ситуаций и исходных данных (неточности в показаниях датчиков, возможность ошибок в документации); необходимость оптимального согласования характеристик человека-оператора с техническими звеньями. Традиционные методы принятия решений, требующие использования языков высокого уровня, большого быстродействия вычислительного комплекса и значительных объемов машинной памяти, для такой системы малоэффективны в силу вышеуказанных особенностей. Это обстоятельство требует развития и применения новых методов принятия решений /72/.
Процесс подготовки и принятия решений, то есть деятельность самого органа управления, имеет явно выраженные две стороны - творческую и формальную /101/. Удельный вес каждой из сторон процесса подготовки и принятия решения определяется прежде всего степенью изученности реального явления (процесса), степенью формализации, наличием времени, которым располагает орган управления для принятия решения по существующей обстановке, а также опытностью и личными качествами людей, возглавляющих орган управления.
