Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Принятие решений при управлении сложной слабоформализуемой активной технической системой иметоды повышения их эффективности 12
1.1 Назначение, признаки, свойства технических систем 12
1.2 Функциональность и структура активных технических систем 16
1.3 Определение проблем принятия решений при управлении человеко машинными системами правления 24
1.4 Основные методологические положения повышении эффективности принимаемых решений 28
1.5 Основные методы и принципы построения агентно-ориентированных сложных активных технических систем 33
1.6 Формулировка задач исследования 38
Выводы по первой главе: 41
ГЛАВА 2 Определение целей и методов принятия решений при управлении сложными активными техническими системами
2.1 Определение глобальной цели функционирования сложной активной технической системы и её декомпозиция 43
2.2 Проблема обеспечения безопасности взаимодействующих подсистем сложной активной технической системы 46
2.3 Проблема обеспечения безопасности сложной активной технической системы при её взаимодействии с окружающей средой 52
2.4 Проблема обеспечения безопасности группы взаимодействующих сложных активных технических систем 59
2.5 Конкретизация задач и методы данной работы 65
Выводы по второй главе: 68
ГЛАВА 3 Методы и алгоритмы выработки решений при управлении сложной активной технической системой 70
3.1 Методы принятия решений при управлении сложной активной технической системой 70
3.2 Гибридная модель логического вывода 78
3.3 Назначение и принципы построения Адаптивной автоматической системы выработки решений 83
3.4 Математическое моделирование распознавания образов и принятия решений на основе теории информации 87
3.5 Прогнозирование поведения сложной активной технической системы 92
Выводы по третьей главе: 94
ГЛАВА 4 Концептуально - методологические основы управления группы сложных активных технических систем
4.1 Определение принципов управления и каналов связей между активными техническими системами 96
4.2 Управление группы активных технических систем 100
4.3 Самоорганизация группы активных технических систем 105
4.4 Стратегии группы активных технических систем 111
Выводы по четвертой главе: 115
5 Концептуально - методологические основы координирования и согласования решений при управлении сложными активными слабоформализуемыми техническими системами 117
5.1 Методы и алгоритмы координирования 117
5.2 Методы и алгоритмы системосвязующего координирования
5.2.1 Постулат совместимости подсистем 125
5.2.2 Координирование локальных подпроцессов 127
5.2.3 Глобальная задача координации 131
5.3 Методы и алгоритмы системоорганизующего координирования 137
Выводы по пятой главе: 142
6 Концептуально-методологические основы построения СППР сложной активной технической системы 144
6.1 Общие подходы к проектированию взаимодействия подсистем СППР 144
6.2 Разработка методологии синтеза СППР сложной активной технической
системы 150
6.3 Модульная декомпозиция СППР 158
6.3.1 Структурный состав 158
6.3.2 Экспертная система 159
6.3.3 Структура и назначение ГИС 162
6.4 Модель взаимодействия подсистем 165
Выводы по шестой главе: 174
ГЛАВА 7 Формализованное описание системы безопасности судовождения и методов принятия решений 176
7.1 Содержательное описание организации безопасности на море 176
7.2 Декомпозиция функциональных задач безопасности судовождения 184
7.3 Методы принятия решений для предупреждения столкновений судов 186
7.4 Порядок организации маневрирования судов для предупреждения столкновений 192
7.5 Метод принятия решений группы судов для предупреждения столкновений 204
Выводы по седьмой главе: 209
8 Объектно-ориентированная реализация сппр безопасности судовождения 212
8.1 Агентный подход к распределенной организации СППР безопасности судовождения 212
8.2 Определение систем, направленных на объектно-ориентированную реализацию СППР БС 226
8.3 Системы сбора, обмена и обработки информации от внешних источников 230
8.4 Интегрированная навигационная система ходового мостика 235
Выводы по восьмой главе: 238
9 Методология синтеза сппр безопасности судовождения 241
9.1 Информационно-структурный синтез СППР БС 241
9.2 Алгоритмизация задач СППР БС 248
9.3 Назначение и режимы работы Интеллектуального интерфейса 274
9.4 Структура Интеллектуального интерфейса 276
Выводы по девятой главе: 285
Заключение 286
Список литературы 290
- Определение проблем принятия решений при управлении человеко машинными системами правления
- Проблема обеспечения безопасности взаимодействующих подсистем сложной активной технической системы
- Математическое моделирование распознавания образов и принятия решений на основе теории информации
- Самоорганизация группы активных технических систем
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В работе рассматривается особый класс больших сложных технических активных систем (АС), обладающих свойствами динамичности, нелинейности, многомерности, многосвяз-ности. В рассматриваемых системах требуется достижение основной цели – обеспечение комплексной безопасности - различными методами, носящими как альтернативный, так и неальтернативный характер и ресурсами, необходимыми для выполнения поставленной цели.
Основная проблема АС заключается в том, что структура АС изменяется во времени по количеству, входящих в состав и взаимодействующих активных технических объектов (АО), по степени воздействия среды (Е), по неопределенности ограничений и подцелей системы. Комплексная безопасность достигается деятельностью АО, распределенных в некотором пространстве окружающей среды и обладающих свободой выбора своего состояния. Деятельность АО для обеспечения безопасности в АС может осуществляться в двух основных режимах: функционирование и развитие (эволюция). При функционировании безопасность АО обеспечивается регулированием, коррекцией управляющих параметров за наблюдениями поведением подсистем с целью возвращения их в нужное состояние. При развитии -под воздействием термодинамических процессов, вызванных внешней средой и распределенностью системы – изменением подцелей и ограничений системы. В настоящее время принятие решений в АС осуществляется Лицом принимающим решения (ЛПР).
Очевидно, что безопасность АС может быть обеспечена при надлежащем функционировании множеством АО, способных распознавать текущие/целевые ситуации и обеспечивать перевод АО из опасных ситуаций в безопасные.
Для проектирования АО, обладающих такими свойствами, требуется их формализация и осуществление синтеза. В данном случае, синтез можно трактовать как объектно-ориентированную задачу сводящуюся к такому построению АО, при котором обеспечивается разрешение конфликтов между различными уровнями иерархии в организации распределенного управления на основе субъективных представлений о ситуации выбора, структуры предпочтений и поведения АО при решении комплексной задачи безопасности. Отсюда возникает проблема принятия решений. Решению проблемы способствуют декомпозиция и итерационный синтез одновременного протекания параллельно-последовательной совокупности согласованных решений во внутренней и внешней структуре АО. В данном случае, итерационный синтез решений для обеспечения комплексной безопасности заключается в рассмотрении взаимного влияния множества АО, основанных на кооперативных процессах самоорганизации. Для применения указанного подхода, требуется перейти к построению взаимосогласованного целенаправленного управления АО для обеспечения заданных свойств внутреннего и внешнего гомеостаза всей системы.
Для поддержки ЛПР и повышения эффективности управления, предлагается ввести в структуру АО - Систему поддержки принятия решений (СППР), разработанную на основе концепции полного и объективного анализа, генерации альтернативных решений, их оценке и выборе лучшей альтернативы.
Изучение степени разработанности проблемы показало, что анализу, моделированию и управлению подобных систем посвящено значительное число работ отечественных и зарубежных авторов, таких как Antoniou P., Baryam Yaneer, Boccara N., Chan S., Fiona A., Gareth W Parry, Haken H., Helton J., Holland J., Jennings N., Jing H., Koulouriotis D., Magee C., Scott A. DeLoach, Thunnissen D., Zhang D., Бусленко Н.П., Поспелов Д.А., Володин В.В., Гриф М.Г., Дубов В.М., Каляев И.А., Колесников А.А., Макаров И.М.,
Павлов В.В., Савин Г.И., Сафронов В.В., Силов В.Б., Новиков Д.А., Губко М.В., Максимов В.И., Кулинич А.А., и др., в которых отражены вопросы формализации знаний, описания организационных структур, построения когнитивных моделей и разработки различных подходов, обеспечивающих требуемые показатели качества управления данным классом систем.
На основании теоретических и практических исследований АС в работе ставится цель: разработать методологию анализа и синтеза сложных активных технических систем, обеспечивающих комплексную безопасность системы в целом с выработкой рекомендаций по выбору лучшего решения и принятие окончательного решения непосредственно ЛПР.
Объектами исследования являются сложные активные технические системы.
Предметом исследования являются методология анализа и синтеза больших сложных технических активных систем с целью разработки Систем поддержки принятия решений (СППР) предназначенных для полного, объективного анализа и выработки предложений при решении задач безопасности сложных активных технических объектов.
Задачи исследования:
-
Разработать методы анализа, формализованного представления особого класса АС с целью подробного рассмотрения этапов и процедур принятия решений с точки зрения возможности их автоматизации при генерации альтернатив, принципов кооперативного решения проблем и согласования нечетких действий.
-
Выполнить декомпозицию глобальной цели АС и создать формализованную модель комплексной безопасности на локальных (по подсистемам) и на внешних уровнях («АО-природа», «группа АО»).
3. Модернизировать методологию применения системы распозна
вания образов и принятия решений, обеспечивающих решение задач иден
тификации состояния АО, определения влияния входных параметров на пе-
5
ревод АО в различные состояния и прогнозирование поведения АО при различных вариантах управляющих воздействий.
-
Разработать структуру и алгоритм работы вычислительного комплекса, ориентированного на самоорганизацию, построение и согласование общего плана действий при помощи итерационного синтеза параллельно-последовательной совокупности согласованных решений внутренней и внешней безопасности АО.
-
Разработать методы согласования решений как в одиночных многоуровневых многоцелевых АО, так и в группе АО, распределенных в некотором ограниченном пространстве, с использованием изоморфной структуры связей для реализации общей стратегии безопасного управления.
-
Предложить принципы проектирования многоуровневых АО, синтез оптимального состава АО и его структуры для обеспечения разрешения конфликтов между различными уровнями иерархии в организации распределенного управления взаимодействующими АО при решении проблем безопасности.
-
Развить методы повышения эффективности принимаемых решений в АО с использованием интегрированных интеллектуальных СППР для поддержания заданного уровня безопасности в любых условиях окружающей среды.
-
Выполнить структурный и функциональный синтез СППР для решения задач безопасности судовождения, охватывающий весь спектр возможных взаимодействий между внутренними элементами судна, окружающей средой и другими судами.
Методология и методы исследования, применяемые в работе, базируются на методологии инженерии знаний, представления и применения знаний, структурирования знаний, математической логике, нечеткой логике, методах объектно-ориентированного проектирования, теории баз данных, моделях и методах представления и обработки пространственной информа-6
ции в географических информационных системах, методологии системного подхода в проектировании больших систем, методах построения систем поддержки управления и систем поддержки принятия решений, методологии сценарного подхода, методологии ситуационного управления, методы оптимизации, экспертные методы принятия решений, и др. Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Выполнены анализ и формализация особого класса АС, реализующие принципы ситуационного подхода для моделирования и управления безопасностью с применением принципов кооперативного решения проблем и согласования нечетких действий АО.
-
Разработана концептуально-методологическая модель выработки решений при обеспечении комплексной безопасности АС, основанная на холических и редукционистских подходах по иерархическим уровням АО.
-
Разработана классификация задач принятия решений АО и методика их анализа на основе этапов и методов поддержки принятия решений для выбора математического и алгоритмического обеспечения при рассмотрении неструктурированных и слабоструктурированных проблем.
-
Разработана архитектура СППР, методика ее интеграции в состав Системы безопасности судовождения (СБС) с целью улучшения эффективности принимаемых решений.
-
Предложен подход позволяющий в рамках единой программной среды СППР применить технологии экспертных систем (ЭС) и Географической информационной системы (ГИС) и развить функциональные возможности обеих технологий за счет совместного использования взаимодействия по данным, по событиям и синергетического взаимодействия.
-
Предложена объектно-ориентированная модель многопроцессорной СППР БС, работающей на принципах многоуровневой организационной иерархии многоэшелонного типа, по сбору и обработке информации,
обмена информацией между судами, выработки решений по подсистемам и решения задач безопасности судовождения.
7. Построены алгоритмы управления задачами СППР с целью опе-
ративного конфигурирования подсистем на основе ЭС и ГИС.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов заключается в создании методов анализа и синтеза активных сложных технических систем, объектно-ориентированная реализация предложенных моделей и методов для создания программных систем, позволяющих выполнять комплексную поддержку принятия решений безопасности судовождения.
Соответствие диссертации Паспорту научной специальности. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют области исследования 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (информационные и технические системы).
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на одиннадцати ежегодных региональных научно-технических и восьми международных конференциях. Результаты диссертационной работы включены в девяти отчетах о научно-исследовательской работе.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано всего 41 научная работа, в том числе одна монография, 17 научных статей в журналах, включенных в п Высшей Аттестационной Комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация объем 311 страниц, включая 71 иллюстрацию и 19 таблиц, состоит из введения, заключения, основной части из девяти глав, списка литературы из 197 наименований.
Определение проблем принятия решений при управлении человеко машинными системами правления
Неопределенность природы, в которой функционирует АС, можно классифицировать по двум главным направлениям: физические и лингвистические. Неопределенности физического характера связаны с динамическими измерениями природы и проявляются через степень изменчивости и степень сложности. Физические неопределенности постоянно уточняются во времени по мере поступления информации параметрическими датчиками информации АС. Важной составляющей лингвистических неопределенностей является понятие лингвистической переменной, введенную Лотфи Заде [65-68], предназначенную для оценивания поступающей информации, которая играет существенную роль в определении сложных явлений с помощью терминов и понятий профессионального языка. Неопределенность целей отражается при выборе отдельных критериев или комплексного критерия.
Наличие неопределенности цели(ей) значительно затрудняет функционирование АС. Одна и та же исходная ситуация, в зависимости от поставленной цели, может рассматриваться иногда как чрезвычайная, иногда как критическая, а иногда как нормальная. Любая управленческая деятельность АС предусматривает перевод её состояние, соответствующее цели данной системы. Поэтому, для того чтобы АС была адаптивной к нескольким целевым установкам, то наименование целей и их количественные значения должны быть определены в процессе функционирования АС или заранее должны быть введены в состав входных данных АС, что является сложной задачей относительно одноцелевой. Неопределенность действий других АС распределенных в некотором пространстве. Принятие решений в условиях нечеткости или неопределенности действий других АС имеет случайный характер. При этом существует некоторая вероятностная мера, в соответствии с которой возникают (наступают) те или иные состояния АС. При этом рассматриваемая АС обладает способностью получать некоторую информацию о вероятностях появления состояний других АС. Эта информация по своему характеру может быть весьма разнообразна. Следовательно, принятие решений в условиях нечеткости действий других АС предполагает, кроме задания функции реализации, задания некоторой дополнительной информации о вероятностях состояния других АС. Присутствие неопределенностей различных видов дает основание охарактеризовать рассматриваемый класс активных технических систем – сложноформализуемым.
Рассмотрим компонентный состав АС. Основой АС являются активные элементы (АЭ), обладающие свойством выработки решений. Выработка решений по управлению АС производится компьютерными системами по единой идеологии с гибким варьированием аппаратных и программных средств. В общем случае в состав АС входят: программируемые контроллеры, модули интеллектуальной периферии, системы визуализации и обслуживания, средства коммутаций, программаторы, персональные компьютеры. Контроллеры (процессоры) – основное назначение – согласование работы подсистем АС. Существуют контроллеры различных конструкций, но всегда предусматривается возможность варьирования их конфигураций за счет устройств расширения и периферийных модулей. Структура Контроллера состоит из центрального блока, содержащего центральный процессор и блока питания. На системную шину Контроллера могут монтироваться различные периферийные модули: цифровых и аналоговых вводов/выводов, предварительной обработки сигналов, коммуникационных процессоров и др..
Модули интеллектуальной периферии предназначены для решения спец. задач Лица принимающего решения (ЛПР) по измерению, стабилизации, позиционированию и др. Они обладают свойством интеллектуальности, в виду того, что они обладают собственными процессорами и решают самостоятельно в реальном времени специализированные задачи управления.
Средства коммуникаций предназначены для обеспечения создания сетей обмена данными между различными компьютерами. К ним относятся коаксиальные и оптоволоконные кабели, повторители, интерфейсные мультиплексоры и т.п.. Современные системы строят по принципу магистральных структур, имеющие небольшие затраты при прокладке кабелей, легко расширяются и позволяют осуществлять непосредственную коммуникационную связь через единственную линию передачи данных.
Системы визуализации и обслуживания состоят от простых дисплеев до информационных систем. Наибольшее распространение получили следующие системы: – панели оператора ( дисплеи и клавиатуры, конструктивно размещенные в одном корпусе); – программируемые терминалы; – локальные системы визуализации и обслуживания с различного рода функциональными возможностями; – центральные системы визуализации и обслуживания с высокими функциональными возможностями (от АРМ до скоординированных многопользовательских и многотерминальных систем). Программаторы и ПК для систем визуализации и обслуживания, а также для подготовки, отладки и записи программ в контроллеры. Драйверы, - программы, решающие задачу сопряжения контроллеров со стандартной периферией, с другими контроллерами, компьютерными средствами автоматизации.
В функциональные блоки АС входят программные пакеты, реализующие типовые функции: арифметические, тригонометрические, логарифмические, показательные, и т.п.; регулирования переменных; реализации стабилизирующего, следящего, каскадного, модульного и адаптивного управления; коррекции и компенсации нелинейностей, сглаживания; наблюдения, отображения, выдачи соотношений и т.п.; предварительной обработки сигналов, обработки сообщений; служебные - обмена данными между центральным процессором контроллера и модулями коммутационного процессора; имитации объекта управления и обработки алгоритмов управления.
Компонентный состав АС помимо возможности выбора своего состояния, располагает производительностью микропроцессорных средств достаточной для решения любых задач управления.
Отразим описание рассматриваемой АС на рисунке 1.2. Каждая АС функционально связана с внешней средой входными (х) и выходными (у) сигналами и состоит из управляющей и управляемой подсистем. Управляющая подсистема реализует счетные (числовые) или логические функции по преобразованию информации на которое воздействует регулирующее устройство с помощью элементов управления.
Проблема обеспечения безопасности взаимодействующих подсистем сложной активной технической системы
Такой уровень развития автоматического управления в должной мере не отвечает многим требованиям при решении практических задач, то метод итераций, предложенный Ротач В.Я. в работе [120], до сих пор находит широкое применение в инженерной практике как при структурной, так и параметрической оптимизации. При параметрической оптимизации по приближенной типовой структуре автоматических систем регулирования определяются расчетные параметры настройки регулятора, при их уставках в реальной системе фиксируется качество переходного процесса и затем путем последовательных «итераций» уставок в окрестностях расчетных значений находятся их оптимальные значения.
Как отмечалось в статьях [82,83,108], проблема адаптивного регулятора не имеет практического решения на уровне современных требований. Это связано с тем, что процессы регулирования и регулируемые объекты неуклонно усложняются, а время, отводимое на разработку этих объектов и процессов, сокращается. Ожесточаются требования к обеспечению работоспособности в нештатных ситуациях, универсальности, модульности построения, надежности, безопасности, снижению стоимости аппаратуры эксплуатации. Разработка математических моделей (ММ) требуемого уровня адекватности, их идентификация и сертификация (верификация) для многих новых процессов, объектов и технологий требует очень высоких интеллектуальных и материальных затрат. Для ряда объектов и процессов создание верифицированных ММ невозможно без натурных испытаний, а объекты и процессы не могут быть доведены до натурных испытаний без ММ. Поэтому такие столбовые направления в адаптивном управлении, как прямая компенсация возмущающих воздействий, адаптация с параметрической идентификацией объекта в реальном времени, адаптация с эталонной ММ не могут решить проблему для многих областей и условий применения, для которых даже структура ММ априори неизвестна. Не дают практического решения и робастные системы, сохраняющие это свойство только при достаточно малых возмущениях, так как в действительности, особенно в нештатных ситуациях, возмущения бывают большими. Не удовлетворяют современным требованиям и регуляторы, обеспечивающие робастность за счет мощного силового управляющего воздействия, навязывающего движение, далекое от естественного свободного движения объекта (нарушение синергетического принципа наименьшего вмешательства).
Проблема адаптивного регулятора рассматривается и с позиций синергетики. В работе «Современная прикладная теория управления» под. ред. Колесникова А.А. предложена теория самоорганизующегося оптимального регулятора с экстраполяцией (СОРЭ) биноминального типа со структурной и параметрической адаптацией, а также теория обобщенного импульсного наблюдателя двухконтурного СОРЭ в детерминировано - стохастическом приближении. Аналитическим путем найдены оптимальные начальные условия для ковариационной матрицы циклического полиномиального фильтра Калмана как во внутреннем, так и внешнем контурах. Доказаны преимущества биномиального алгоритма исполнительных частей как в обобщенном наблюдателе, так и контурах с регулируемым объектом. Приводится сводка алгоритмов и описание преимуществ новой двухконтурной версии СОРЭ биномиального типа. Утверждается, что новая концепция впервые позволит решить проблему самоорганизующегося регулятора на уровне современных требований.
Под внешней структурой АС понимается одиночной или множественное взаимодействие АС и окружающей среды. Здесь под элементом окружающая среда понимается совокупность факторов, имеющих различную природу, которые оказывают возмущающее, в том числе, и негативное влияние на АС и могут приводить к опасности столкновения с другими АС и\или навигационными опасностями и гибели АС. В задачах обеспечения внешней безопасности АС окружающая среда характеризуется терминами, представляющими опасности для АС. Анализ позволяет выделить следующий ряд потенциальных опасных компонентов: – стационарные природные и искусственные опасности и объекты; – динамические опасные явления природы; – динамические опасные объекты; – динамические опасные АС.
Если представить предложенный перечень, как некий временной «срез», т.е. момент времени, в который эти опасности имеют строго определённые конкретные характеристики (состояния), отличные от аналогичных характеристик в другие моменты времени, то в данном случае можно говорить о ситуации. В общем случае ситуация, которую в таком контексте можно определить как «мгновенное состояние внешней среды», обладает свойствами одноактности и неповторимости. Это означает, что двух одинаковых ситуаций не существует. Однако временной градиент некоторых компонентов, т.е. их изменчивость во времени такова, что в течение некоторого сравнительного большого (во всяком случае, не стремящегося к нулю) промежутка времени характеристики компонентов, как и сама их совокупность, не изменяются или изменяются незначительно. В таком случае с практической точки зрения более важно вести речь не о моменте времени, стремящемся к нулю, а об отрезке времени, отличном от нуля[134].
Из одноактности и неповторимости ситуации следует, что большинство её компонентов имеет бесконечное множество значений; то же самое относится и к количеству вариаций компонентов (значений их характеристик). Данное обстоятельство делает практически невозможным описание и анализ ситуаций. Однако, если ввести допущение, заменив множество значений какого-либо из компонентов, принадлежащего интервалу с определёнными границами, одним значением, то количество значений компонентов, как и количество возможных ситуаций, станет конечным. Такие ситуации будем называть типовыми неповторимую совокупность мгновенных значений характеристик взаимосвязанных, субъективных и объективных компонентов, имеющих отношение к безопасности АС в определённый момент времени. При внешнем структурном исследовании модели «АС-среда» состав системы определяется элементами, способными решать задачи безопасности в зависимости от типа ситуации. Изобразим на рисунке 2.3 в виде воронки – систему с основными элементами: окружающей средой, АС и ЛПР.
Математическое моделирование распознавания образов и принятия решений на основе теории информации
Задачу управления АС можно сформулировать по работе [72]: пусть в некоторой окружающей среде функционирует j-ая АС (Х}- Є Ж (j = 1JV)), состояние Х которой описывается вектор-функцией: X{t) = [x1{t),x2{t),...,xh{t)]T, (3.1) а состояние окружающей среды Е — вектор-функцией: E{t) = [e1{t),e2{t) ...,ew{t)]T. (3.2) Под переменными состояния xt(t) (і = 1, h) полагают, например, координаты АС, курс, скорость и т. д. в момент времени t. Под переменными состояния окружающей среды е )(1 = l,w) среды, понимаются лингвистические переменные характеризующие окружающую среду, представляющие опасности для АС. АС и среда, взаимодействуя друг с другом, образуют некоторую систему «АС-среда». Состояние системы «АС-среда» в момент времени t описывается вектор-функцией S(0, которая определяется как множество различных состояний системы «АС-среда» описывается точками {h + w) - мерного пространства, которое будем обозначать как {S} и называть пространством состояний системы«АС-среда». Под начальным состоянием системы будем понимать состояние 5 = (Х, Е), определяемое вектор-функциями: X0=X(to),E0 = E(t0), (3.3) где t — начальный момент времени, т. е. момент начала перевода системы из состояния 5. Соответственно, конечное состояние будет обозначаться как S? = (X?, Е?) и определяться векторами: ХГ =X{tf),Ef = E{tf), (3.4) где tf — конечный момент времени. Состояние системы «АС-среда», зафиксированное в текущий момент времени і, будем называть текущим состоянием. Это состояние 5 е = (Xі, Ег) определяется вектор-функциями: Х =Х($),Е1 = Е$). (3.5) Предположим, что АС выполняет некоторые действия, совокупность которых описывается вектор-функцией А() = [a1(t), a2(t), ... , am(t)]. С помощью действий A(i) оно может изменять, как было указано выше, свое состояние X(f) и уменьшать негативное влияние Е(ґ) среды.
Цель АС заключается в том, чтобы, совершая некоторые действия, перевести систему «АС-среда» из начального состояния — в конечное, т. е. S0 S/. Если среда стационарная, т.е. ее состояние Е0 = Ес = W= const, то изменения в системе «АС-среда» осуществляются лишь за счет изменений состояния X и ее действий, т. е. S(t) = (X(t),E(t)), где Е(ґ) = (A(t)). Тогда состояние системы «АС-среда» фактически является некоторой функцией S(f) = fs(A(t)), т. е. функцией только действий АС.
Если же среда является нестационарной, т. е. еe состояние изменяется не только в результате выполнения АС некоторых действий, но и в результате действия каких-либо других сил g(f), присущих среде, то еe состояние будет описываться функцией Е(ґ) = fE(A(t), g(f), ). В этом случае состояние АС также изменяется не только в результате выполнения некоторых действий, но и в результате влияния сил g(f), действующих в среде. Поэтому состояние АС с учетом его динамики описывается вектор-функцией: X(t) = [x1(g(t),E(t),t),x2(g(t),E(t),t),...,xh(g(t),E(t),t)]T, (3.6) компоненты которой являются функциями действий АС, сил, действующих в среде, состояния среды и времени, т. е. X(t) = fx{g(t),E(t),t = fx{A(t),g(t),t). (3.7) Тогда и состояние системы «АС-среда» будет описываться функцией S(f) = fe(A(0, g(0,X(0,E(0, 0 (to t tf ). В общем случае изменения состояния системы «АС-среда» носят непрерывный характер и описываются системой дифференциальных уравнений вида: S = f (A(/),R(/),E(/), g(f), t) = f (А(ґ), S(t), g(t), t), (3.8) где S = dS(t)/dt производная вектор-функции S(t) по времени. Ряд состояний системы «АС-среда»может быть запрещен. Поэтому вводятся ограничения, накладываемые на возможные состояния, S(f) Є fip(t)} =$}, (3.9) где (S (t)} множество допустимых состояний системы «АС-среда »в момент времени t, принадлежащее множеству {S}.
Все возможные действия АС образуют множество {А}. Аналогично, в каждой конкретной ситуации некоторые действия A(t) Є /А/могут быть невыполнимыми или даже недопустимыми. Поэтому определяются ограничения, накладываемые на действия АС в момент времени t, например, как A(f) Є{АР{І)} = {А}, (3.10) где (AP(t)} множество допустимых действий АС в момент времени t из множества {А}.
Задача управления Х;- состоит в том, чтобы определить такую последовательность действий (вектор-функцию действий) А(0 на интервале времени [t0, tf ], выполнение которых при связях (3.8), начальных условиях (3.3) и ограничениях (3.9) и (3.10) обеспечивало бы экстремум функционала: Y = Ф (X? ,Е? ,tf) +fif F(A(t),X(t),E(t),g(t),t) dt (3.11) или с учетом состояния системы S(t) = (X(t), E(t)), то Y = Ф (Sf,tf) +S fF(A(t),S(t),g(t),t) dt (312) определяющего цель функционирования АС в окружающей среде и оценивающего качество процесса управления. Таким образом, действия А(ґ) будут называться оптимальными действиями, а соответствующая траектория S(t) — оптимальной траекторией. В выражениях (3.11), (3.12) первое слагаемое в правой части — функционал, оценивающий качество конечного состояния системы «АС-среда», второе слагаемое оценивает качество процесса управления на всем интервале [t0, tf ].
При выработке решений при управлении АС наблюдается острая потребность в общих качественных результатах, требующая оптимизационного характера. Однако оптимизация АС требует осторожного отношения в процессах моделирования выработки решений. Оптимально - не значит безопасно. Для этого подтверждения этого тезиса приведем следующие рассуждения: 1. Как правило, оптимальное решение оказывается неустойчивым, т.е. незначительные довольно изменения в состояниях АС или окружающей среды могут привести к выбору существенно отличающихся действий, альтернатив или правил. 2. Критерии оптимизации и математические модели всегда связаны с глобальной целью косвенным образом, т.е. более или менее адекватно, но всегда приближенно. 3. Для повышении эффективности выработки решений определяют совокупность всех физических воздействий, которые обеспечивают минимум экономических потерь, энергии и других ресурсов при одновременной высокой скорости протекания процессов функционирования АС. Построение оптимальной модели взаимодействия подсистем позволяет осуществить лишь локальную оптимизацию по подсистемам с оптимизационными критериями по сбережению топлива, по режиму работы силовой установки, минимальному потери времени и др. Если каждая подсистема будет работать оптимально, то это не означает, что АС оптимально будет работать в целом. Поэтому в данном случае уместно для целей оптимизации управления АС вместо термина «оптимальное решение» применять термин «лучшее решение».
Принципиальная сложность задачи и выбора лучшего решения в быстро изменяющейся динамической ситуации заключается в невозможности априорного определения того, что называть лучшим решением. На практике ЛПР вкладывает свой смысл в это понятие в соответствии с его знаниями и накопленным опытом. Более того, небольшое изменение возмущающего воздействия окружающей среды может привести к изменению смысла лучшего решения.
Самоорганизация группы активных технических систем
Несмотря на различную содержательность и разнородность отдельных аспектов организации безопасности в АС можно подойти к описанию проблемы безопасности с единых методологических позиций путем привлечения теории систем (ТС). Если вопросы внутренней безопасности АС в настоящее время довольно хорошо изучены, то вопросы выработки решений для обеспечения комплексной безопасности модели «группа АС-среда» еще требуют серьезного исследования, новых подходов и разработок. За последние десятилетия в организации безопасности АС не произошли существенные элементные, структурные и функциональные изменения. Значительные изменения произошли лишь с технической стороны - в коммуникационных и интегративных аспектах. АС обрела технические возможности моделирования себя, отображения окружающей среды, взаимообмена информацией и ЭВМ, с помощью которых возможно быстро просчитать результаты решений по различным альтернативам, исходным данным и критериям. Указанные технические системы позволили определять механизмы совершенствования и развития АС.
На рисунке 4.1 изобразим множество АС в классе X Є X. Под X -понимается похожесть, сходство - это аналогия в структуре АС. На структурном уровне множество таких АС {Xj±,Xj2, ...,Xjn] кажутся одинаковыми, однако при детальном рассмотрении этих АС вся аналогия между ними пропадает. Рисунок 4.1 Изоморфная структура отношений между АС одного класса
Размеры, скорость движения, тормозные характеристики, предназначение АС и т.п. представляют индивидуальные особенности {Хп,Х]2, ...,Xjn}. Похожесть Хп и Xjn, представляет собой такое соответствие между двумя АС, которое не является взаимно однозначным. Другими словами, структура Xjn является как бы упрощенной копией Хп и непохожей на структуру Xj2, которая в свою очередь не похожа ни на Xjn, ни Хд. Однако, если всем непохожим {Xj1,Xj2, ...,Xjn} как в одном (см. рисунок 4.2), так и разных классах в структурном отношении задать отношения R1,R2, ,Rn-x,Rn и связать их каналами связи, то такая структура отношений, обеспечивающая передачу сообщений от каждой АС некоторому получателю - (Сп), становится изоморфной Одинаковость структуры здесь означает, что различный смысл множества системно образующих отношений R1,R2, ,Я„_і,Я„равно как и различие внутренних элементов АС при их сопоставлении не учитываются[5].
На рисунках 4.1 и 4.2 связи между {Хп Х]2 ...,Xjn) и {XX,XY, z) осуществляются через некоторого получателя - (Сп), обладающего возможностями обмена информацией между ними. Совокупность взаимодействующих АС удаленных друг от друга как однородных, так и разнородных для целей обеспечения безопасности, представляет собой распределенную систему[140], связанную множеством системообразующих отношений с объединением устройств управления информационными каналами в информационно-вычислительную сеть[34].
Выработка решений в такой системе осуществляется по средством взаимодействия между множеством АС разных типов. Именно взаимодействие между АС, объединенными целью обеспечения безопасности в границах некоторого (географически распределенного) района, определяет и объясняет активность отдельных АС и задает многовариантность их действий. Если при обнаружении опасности в межсистемных взаимодействиях АС вначале наблюдается иррациональность взаимодействия АС, то затем на этапе обработки взаимной информации межсистемные взаимодействия упорядочиваются и вырабатывается решение, которое приобретает однозначный, устойчивый характер и создаются условия для перехода к рациональному типу взаимодействия между АС. При этом происходит изменение типа взаимодействия между АС в сторону снижения иррациональности и роста рациональности, например, вместо конфликта возникает взаимодействие типа партнерства, сотрудничества или содействия.
Наибольшую ценность в снижении иррациональности в АС составляют элементы, способные обмениваться информацией, распознавать состояния АС, окружающей среды и решающие элементы, способные понижать или устранять неопределенности. Такое проектирование достигается путем обеспечения возможностей самоорганизации[72], т.е. улучшения качества работы АС в целом.
Рассмотрим принципы самоорганизации в модели «группа АС-среда». Конфликт группы АС, как правило, перегружен субъективизмом целей, критериев, оценок состояния, вырабатываемых решений. По этой причине говорить о стихийной самоорганизации группы АС абсолютно невозможно, так как при стихийном способе самоорганизации возникает непредсказуемое поведение АС. Стремление к рациональному типу взаимодействий между АС позволяет принимать согласованные решения в нестандартных и заранее не изученных ситуациях на принципах искусственной самоорганизации. В этом случае рациональным, является способ самоорганизации исследованный в работах Колесникова А. А., основанный на синергетических принципах. В этих работах управляемая самоорганизация систем учитывает естественные свойства объекта, явления при формировании желаемых инвариантных (неизменяемых) многообразий, вводимых в структуру синтезируемых систем. Если по какой-либо причине текущее состояние АС окажется опасным среди группы АС, то перед АС может возникнуть выбор из нескольких или множества новых безопасных состояний. Для того чтобы избежать АП, необходимо группу АС заставить по-новому взаимодействовать между собой. В данном случае синергетика, как наука изучающая поведение нелинейных динамических систем, при изменении некоторых управляющих параметров, наиболее близка по своей идеологии к теории управления и в частности управлению группы АС распределенных в некотором пространстве окружающей среды. Кооперация [55] играет центральную роль в группе АС по рационализации взаимоотношений между ними. Кооперация между несколькими АС означает их коллективную работу в интересах получения совместных результатов. Именно кооперация приводит к синергетическим эффектам при объединении отдельных АС в группы. По сути, это основная форма поведения и организация взаимодействий между множеством АС, характеризуемая объединением их усилий для достижения совместной цели при одновременном разделении между ними функций и обязанностей. Поэтому понятие общей цели, на выполнение которой направлены действия АС, играет ведущую роль в АС. Понятие общей цели обозначает предпочитаемое будущее состояние группы АС, соответствующее целям отдельных АС и определяемое на их основе поведение каждой АС.
Исследования в работах Каляева И.А., Капустяна С.Г., Гайдук А.Р[72-74] посвящены методам и моделям коллективного управления. По аналогии управление нескольких АС относится к типу управления группы АС. В основе предлагаемого метода управлением группы АС лежит концепция сети однородных и неоднородных АС, отличающихся набором АЭ. Мультиагентная концепция (см.п.1.2) представленная в работах [53-56] позволяет проектировать управление группы разнородных АС, как набор конфликтных «планировщиков-оптимизаторов» со своими целями и задачами, критериями, предпочтениями и ограничениями. АС при этом могут кооперироваться и конкурировать при выработке решений в интересах объединяющей их цели. Важнейшей особенностью этой концепции является возможность пересмотра АС своих ранее принятых решений при обнаружении конфликта между ними и выработки согласованного решения путем переговоров, в ходе которых АС имеют договоренность по своим критериям и могут делать уступки той АС, которая обладает худшими возможностями.
Для устойчивости управления группы АС требуется общий гомеостаз систем, с образованием Системы группового управления (СГУ). Под гомеостазом СГУ подразумевается, прежде всего, сохранение целостного или интегративного качества, отражающего его сущность - поддерживать основные параметры безопасности АС в определенных пределах, т.е. не допускать нарушения установленных критериев безопасности менее установленных.