Содержание к диссертации
Введение
Часть 1 Теоретические основы интерактивного управления ресурсами 24
Глава 1 Задачи разработки технологии интерактивного управления ресурсами при проектировании 24
1.1 Анализ эволюции комплекса обеспечений автоматизированных систем 24
1.1.1 Тенденции в стандартизации информационной поддержки жизненного цикла автоматизированных систем 24
1.1.2 Комплекс обеспечений АС 27
1.1.3 Хронологический анализ комплекса обеспечений АС 29
1.1.4 Теоретико-множественная модель развития комплекса обеспечений АС 33
1.2 Управление ресурсами систем и объектов при проектировании 41
1.3 Конструктивные методы управления процессом проектирования систем и объектов 45
1.4 Цели и задачи исследования 50
1.5 Выводы 52
Глава 2 Математическая модель интерактивного управления ресурсами технических систем и объектов при проектировании ... 54
2.1. Аспекты управления ресурсами на разных стадиях жизненного цикла технических систем 54
2.2. Проблемы математического моделирования процессов интерактивного управления ресурсами 58
2.2.1 Модель структуры и параметров проектируемой системы 58
2.2.2 Способы моделирования интерактивных систем. 60
2.2.3 Особенности моделирования интерактивных систем 62
2.2.4 Системный подход к интерактивному управлению ресурсами технических систем при проектировании 63
2.2.5 Анализ динамической модели интерактивного распределения ресурсов системы при проектировании 71
2.3. Идентификация динамической модели управления ресурсами 75
2.3.1 Проблемы идентификации интерактивных управляющих систем 75
2.3.2 Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве состояний 76
2.3.3 Исследование модели в пространстве состояний 81
2.3.4 Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве параметров 90
2.4. Выбор математического аппарата для описания моде ли распределения ресурсов в пространстве состояний.. 94
2.5 Выводы 103
Глава 3 Методы выбора вариантов решений при интерактивном управлении ресурсами на различных стадиях ЖЦ ТС 105
3.1. Блочно-иерархический подход к проблеме выбора решения при интерактивном управлении ресурсами проектируемой ТС 105
Оптимальный интерактивный выбор проектных решений ТС с использованием динамической модели управления ресурсами 106
Методы рационального выбора 113
Управление вектором весовых коэффициентов параметров при интерактивном распределении ресурсов 120
Выбор нормирующих функций при скалярной свертке в пространстве параметров векторной модели интерактивного распределения ресурсов 123
3.5.1 Требования к виду оператора нормирующей функции 123
3.5.2 Операторы нормирования по экстремальным значениям параметров 124
3.5.3 Операторы нормирования по среднему значению параметров 127
3.5.4 Практические рекомендации по применению операторов нормирования 129
Методы реализации перебора вариантов проектных решений 130
Исследование способов интерактивного управления решениями при выборе оптимального варианта 133
3.7.1 Необходимые преобразования модели проектируемой системы в пространстве параметров 133
3.7.2 Исследование влияния вида целевой функции на процесс выбора оптимального решения 135
3.7.3 Исследование влияния вида нормирующего оператора на процесс выбора оптимального решения 140
3.7.4 Исследование влияния способа учета обратной тенденции эффективности на процесс выбора
оптимального решения 145
3.8 Выводы 149
Часть 2 Приложения технологии интерактивного управления ресурсами технических систем при проектировании 151
Глава 4 Интерактивное распределение ресурсов при внедрении ИПИ-технологий 151
4.1 Концептуальный подход к внедрению ИПИ-технологий 151
4.2 Проблемы внедрения средств ИПИ-технологий на предприятии радиоприборостроения 157
4.3 Идентификация модели распределения ресурсов в условиях внедрения ИПИ-технологий 159
4.3.1 Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве состояний 159
4.3.2 Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве параметров 162
4.3.3 Скалярная свертка структурно-параметрической векторной модели 164
4.3.4 Описание структурно-параметрической векторной модели с использованием нечетких множеств 165
4.4 Мониторинг вычислительных ресурсов в условиях внедрения ИПИ-технологий 168
4.4.1 Расчет рейтингов вычислительных ресурсов 168
4.4.2 Система рейтингов для оценки вычислительных ресурсов 171
4.4.3 Применение рейтингов для оценки вычислительных ресурсов подразделений 176
4.4.4 Мониторинг вычислительных ресурсов в условиях внедрения ИПИ-технологий в ФГУП ННИПИ «Кварц» 183
4.5. Оптимизация распределения вычислительных средств на основе проведенного мониторинга 188
4.6. Оптимизация распределения ресурсов профессионального потенциала исполнителей при формировании целевых коллективов для решения задач внедрения ИПИ-технологий 196
4.7 Выводы 203
Глава 5 Интерактивное распределение ресурсов при проектировании вычислительных систем различного назначения 205
5.1. Концептуальный подход к распределению вычислительных ресурсов 205
5.2. Интерактивное распределение вычислительных ресурсов рабочих станций в проблемно-ориентированых САПР 206
5.2.1 Проблема управления вычислительными ресурсами в САПР, построенных на распределенной вычислительной сети 206
5.2.2 Математическая модель распределения вычислительных ресурсов САПР ФУ СВЧ 208
5.2.3 Идентификация модели 210
5.2.4 Реализация модели при распределении вычислительных ресурсов рабочих станций проблем-но-ориентированой САПР 211
Интерактивное распределение вычислительных ресур
сов при проектировании ЛВС 215
5.3.1 Концептуальный подход к интерактивному распределению вычислительных ресурсов при проектировании ЛВС 216
5.3.2 Математическая модель распределения вычислительных ресурсов при проектировании ЛВС. 218
5.3.3 Идентификация и реализация модели для задачи формирования ТО рабочих станций 221
5.3.4 Идентификация и реализация модели для задачи формирования ПО рабочих станций ЛВС 224
5.3.5 Идентификация и реализация модели задачи мониторинга вычислительных ресурсов рабочих станций ЛВС 230
Интерактивное распределение ресурса безопасности
вычислительных систем 242
5.4.1 Концептуальный подход к интерактивному распределению ресурса безопасности вычислительной системы 242
5.4.2 Математическая модель распределения модулей системы по критерию информационной безопасности 244
5.4.3 Идентификация модели 246
5.4.4 Многоуровневые модели распределения ресурса безопасности системы при разграничении прав доступа пользователей сети в интерактивном режиме 251
5.4.5 Алгоритм разграничения доступа и минимизации риска принимаемых решений 257
5.5 Рациональное интерактивное распределение вычислительных ресурсов при проектировании систем интеллектуальных датчиков 261
5.5.1 Проблемы проектирования автоматизированных систем интеллектуальных датчиков 261
5.5.2 Векторная модель ИД в пространстве параметров 262
5.5.3 Модель СИД в пространстве состояний 264
5.5.4 Комбинированная динамическая модель СИД... 265
5.5.5 Скалярная свертка целевой функции 266
5.5.6 Идентификация модели СИД 267
5.5.7 Применение модели распределения ресурсов для проектирования реальной СИД 268
5.6 Выводы 273
Глава 6 Интерактивное распределение ресурсов в задаче размещения элементов 275
6.1. Концептуальный подход к распределению вычислительных ресурсов при решении задач конструкторско-технологического проектирования 275
6.1.1 Проблемы автоматизированного размещения элементов при комплексном воздействии дестабилизирующих факторов 275
6.1.2 Задачи автоматизации размещения элементов... 277
6.1.3 Дестабилизирующие факторы в задаче размещения элементов на плоскости 278
6.1.4 Возможности развития методов автоматизированного размещения элементов по комплексным критериям качества 279
6.2. Ресурсораспределительный метод размещения 280
6.3. Алгоритм размещения по комплексному критерию 284
6.4. Оценка качества размещения элементов по комплексным показателям 287
6.5 Рациональное распределение вычислительных ресурсов при автоматизированном размещении элементов по комплексным критериям 293
6.6 Алгоритмы автоматизированного размещения элементов на панелях управления 297
6.6.1 Формализация процесса размещения элементов с учетом эргономических критериев 297
6.6.2 Оценка качества размещения элементов на виртуальных панелях управления 301
6.6.3 Оценка эффективности интерактивного обмена информационными ресурсами панели управления в процессе их распределения 303
6.6.4 Реализация алгоритмов автоматизированного размещения и оценки вариантов для виртуальных панелей управления 307
6.7 Выводы 313
Основные результаты и выводы 315
Список использованной литературы
- Тенденции в стандартизации информационной поддержки жизненного цикла автоматизированных систем
- Системный подход к интерактивному управлению ресурсами технических систем при проектировании
- Управление вектором весовых коэффициентов параметров при интерактивном распределении ресурсов
- Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве параметров
Введение к работе
Актуальность исследования. Наиболее трудоемкими и информационно насыщенными являются начальные этапы жизненного цикла (ЖЦ) технических систем (ТС) научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проектирование и технологическая подготовка производства Любое информационное взаимодействие в ходе реализации этих стадий ЖЦ требует присутствия управляющих воздействий, определяющих наиболее эффективный способ использования ресурсов Современные подходы к реализации ЖЦ изделий в условиях использования информационных технологий (ИТ) сформулированы в концепции CALS (Continuous Acquisition and Life cycle Support - непрерывная информационная поддержка жизненного цикла), в отечественной практике — информационная поддержка процессов жизненного цикла изделий (ИПИ)
Традиционные математические методы управления и обработки информации в автоматизированных системах (АС), включая методы и алгоритмы управления и распределения вычислительных ресурсов (ВР) проектируемых АС, не удовлетворяют их пользователей - разработчиков прикладного программного обеспечения, схемотехников, конструкторов, технологов, операторов, системных администраторов вычислительных средств (ВС) В связи с этим, создание современных АС с учетом массированной компьютеризации, необходимости внедрения ИПИ-технологий, особенностей перехода на рыночные методы организации и управления производством, решения задач реструктуризации и организационных изменений, повышения их эффективности - представляет собой сложную совокупность проблем Комплексное решение намеченных проблем, определяющих методы решения поставленных задач разработки новых алгоритмов интерактивного проектирования ТС, обусловленных направлениями общего развития современных ИТ, невозможно бе^ разработки соответствующих теоретических основ, системного анализа, разработки адекватных моделей, способов их оценки, структурного и параметрического синтеза, а также эффективного управления решениями при изменении условий проектирования
Отдельные аспекты поставленной проблемы имеют хорошее развитие, накоплен значительный материал, который может служить подтверждением того, что исследования в этой области актуальны и должны развиваться в соответствии с приоритетными направленнями развития науки, технологий и техники в РФ, утвержденными 21 05 06 президентом РФ, перечнем критических технологий федерального уровня, определенных решениями правительства РФ, стратегией развития науки и инноваций в РФ на период до 2015 года, утвержденной межведомственной комиссией по научно-инновационной политике Министерства образования и науки РФ (протокол от 15 02 06) Актуальность подтверждается также соответствием выполненных исследований тематике госбюджетных НИР по заказ-наряду Министерства образования и науки РФ на 2000-2003 г г «Разработка теории интеллектуальных систем проектирования отказоустойчивых устройств передачи и обработки информации» per № 1 233 98Ф и на 2003-2006 г г «Разработка теории автоматизированного интеллектуального проектирования отказоустойчивых систем передачи и обработки информации» per № 1 431 03, а также направлению целевой программы Министерства образования и науки РФ и Федерального агентства по образованию «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 годы)», подпрограмма 3 «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала», раздел 3 2 «Развитие информационной инфраструктуры для хранения новых знаний и информационного обмена (электронные библиотеки, базы данных)»
Таким образом, исследования в области разработки новых информационных технологий интерактивного управления ресурсами ТС при проектировании являются актуальными, а реализация их результатов в различных приложениях при создании ИПИ-систем сквозного информационного сопровождения ЖЦ изделий - практически значима
Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является разработка и совершенствование теоретических основ, создание новых методов, моделей, алгоритмов и информационных технологий интерактивного управления ресурсами вычислительных сисгем (систем технического и программного обеспечения для поддержки ИПИ-технологий, CAD-.CAM-, САЕ-систем, локальных вычислительных сетей (ЛВС), корпорачив-ныч вычислительных сетей, систем информационной безопасности, систем интеллектуальных датчиков) и их элементов (узлов и блоков конструкций устройств электроники и вычислительной техники) при автоматизированном проектировании, позволяющих повысить эффективность, количественные и качественные показатели функционирования, характеристики надежности и работоспособности
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи'
определить тенденции развития информационных технологий проектирования, выявть проблемы и на основе системного анализа разработать новые подходы к их решению,
уточнить и развить с современных позиций теорию системного анализа, управления функционированием и вычислительными ресурсами ТС, разработать методологические принципы, математические модели, методы и алгоритмы новой ИТ интерактивного управления ресурсами ТС и их элементов в процессе проектирования,
описать функционирование АС, предназначенных для решения проектных задач, в динамических режимах на основе теории простых и нечетких множеств, теории вероятностей, векторного анализа применительно к реальным задачам управления и распределения ВР для интерактивных режимов взаимодействия пользователя и АС,
развить методологию, построить адекватные математические модели интерактивного управления ресурсами, методы и алгоритмы, позволяющие на их основе решать типовые задачи проектирования, реализации и эксплуатации АС различного назначения, обеспечивать и выбирать оптимальные варианты проектных решений ТС, как в пространстве состояний, так и в пространстве параметров,
сформулировать и дать решения практических задач проектирования в условиях непрерывной информационной поддержки ЖЦ ТС (систем технического и программного обеспечения для поддержки ИПИ-технологай, САПР, ЛВС, корпоративных вычислительных сетей, систем информационной безопасности, систем интеллектуальных датчиков) и их элементов (узлов и блоков конструкций устройств электроники и вычислительной техники), позволяющих повысить эффективность, количественные и качественные показатели функционирования, характеристики надежности и работоспособности,
разработать рекомендации и предложения и обеспечить внедрение прикладных программ-но-методігческігх комплексов в практику реального проектирования ТС различного назначения или их использование для получения перспективных решений при дальнейшем развитии ИТ автоматизированного управления и проектирования
Объект (область) исследования: информационные технологии интерактивного управления ресурсами технических систем и объектов при их проектировании
Предметы исследования' модели и методы, функции, процессы и алгоритмы интерактивного управления ресурсами технических систем и объектов в виртуальной вычислительной среде, результаты проектирования в виде проектов и реальных прикладных автоматизированных вычислительных систем (ИПИ-систем, САПР, ЛВС, систем информационной безопасности, систем интеллектуальных датчиков) и их элементов (конструктивных узлов виртуальных панелей управления, интеллектуальных датчиков)
Методы исследования. Теоретическая и методологическая части работы основаны на использовании теории системного анализа, автоматического управления, управления ресурсами многоуровневых систем, исследования операций, теории вероятностей, векторной алгебры, теории простых и нечетких множеств, теории графов Используются методы.
модели и алгоритмы теории автоматизированного проектирования, методы теории искусственного интеллекта, численные методы оптимизации и математического моделирования
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов обеспечены строгими математическими доказательствами, выполненными в ходе исследований, или экспериментальной проверкой, подтверждены сопоставлением результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными путем моделирования или натурных испытаний Достигнутые результаты согласуются с современными научными представлениями и данными отечественных и зарубежных информационных источников, а также подтверждаются их представительным обсуждением в научных изданиях и выступлениях на научных конференциях международного и российского уровней Основные технические решения внедрены в производство
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные результаты, обладающие научной новизной
На основе хронологического анализа развития построена феноменологическая теоретико-множественная модель эволюции ИТ, основанная на типовой структуре комплекса обеспечений АС (КОАС) (в составе ТО, ПО, МО, ЛО, ИО, ОО, и МеО) и этапах развития ИТ, определенных Г Р Громовым (эффективные вычисления, эффективное программирование, формализация и автоформализация профессиональных знаний, распределенные вычисления в среде вычислительных сетей), в отличие от известных позволяющая определить тенденции и перспективы развития КОАС, включая МО, ПО и ОО и выделить доминирующее значение интерактивных процессов
Предложены и математически обоснованы новые динамические модели виртуального интерактивного управления ресурсами за счет их распределения, построенные на основе теоретико-множественного соответствия в форме отображения (в пространстве состояний) и векторного выражения множеств параметров в форме метрического векторного пространства (в пространстве параметров), предназначенные для решения задач синтеза, анализа и оптимизации ТС при их проектировании
Разработан новый способ идентификации динамической модели виртуального интерактивного управления ресурсами технических систем в пространстве состояний, реализованный, в отличие от известных, при помощи математического аппарата нечетких множеств и позволяющий решать задачи выбора оптимальных проектных решений и структурного синтеза ТС
Модифицированы существующие и разработаны новые алгоритмы выбора проектных решений, основанные на использовании различных форм записи целевых функций (аддитивной и мультипликативной), способов учета тенденции эффективности управляемых переменных и нормирующих операторов, предполагающих, в отличие от известных, универсальное применение динамической модели виртуального управления ресурсами в условиях внедрения ИПИ-технологий на стадии проектирования
На основе модели динамического интерактивного распределения вычислительных ресурсов сформулированы и решены типовые задачи проектирования обеспечений при внедрении ИПИ-технологий на предприятиях радиоприборостроения в условиях организационных изменений и ограниченных ресурсов, оптимального распределения ресурсов профессионального потенциала при формировании целевых объектно-ориентированных групп исполнителей, рационального распределения вычислительных ресурсов рабочих станции в проблемно-ориентированной САПР, проектирования технического и программного обеспечений ЛВС при организации информационной системы вуза, «мягкого» распределения прав доступа к программным модулям и файлам ЛВС по критерию информационной безопасности, проектирования автоматизированной системы интеллектуальных датчиков с рациональным распределением вычислительных ресурсов,
интерактивного распределения ресурсов надежности и работоспособности при размен* нии элементов в условиях комплексного воздействия дестабилизирующих факторов (ДФ) автоматизированного размещения элементов на виртуальных панелях управления с оцен кой эффективности интерактивного обмена информационными ресурсами
6 Разработана методика мониторинга вычислительных ресурсов на основе динами ческой модели их интерактивного распределения и расчета рейтингов подразделений і всего предприятия, позволяющая, в отличие от известных, реализовать адаптивное внедре ниє ИПИ-технологий в условиях организационных изменений и ограниченных ресурсов
Основные положения, выносимые на защиту:
Методология интерактивного управления ресурсами технических систем различ-ного назначения на базе динамических моделей, идентифицированных в пространствах состояний и параметров
Математическая модель динамической системы интерактивного виртуального распределения ресурсов в пространстве состояний в виде теоретико-множественного соответствия в форме отображения Доказательства утверждений ее достоверности и обоснованности применения математического аппарата нечетких множеств
Постановка и алгоритмы решения типовых задач системного анализа, синтеза, оптимизации и управления ресурсами проектируемых ТС при выборе проектных решений для ВС различного назначения
рациональное распределение вычислительных ресурсов рабочих станций в проблемно-ориентированной САПР,
проектирование технического и программного обеспечений ЛВС,
проектирование автоматизированной системы интеллектуальных датчиков с рациональным распределением вычислительных ресурсов,
интерактивное распределение ресурсов надежности и работоспособности при размещении элементов в условиях комплексного воздействия дестабилизирующих факторов,
автоматизированное размещение элементов на виртуальных панелях управления,
оценка эффективности интерактивного обмена информационными ресурсами
Методология внедрения ИПИ-технологий на предприятиях радиоприборостроения в условиях организационных изменений и ограниченных ресурсов, включающая в себя метод мониторинга вычислительных ресурсов подразделений предприятия на основе модели процесса их распределения и рейтингов оборудования и программного обеспечения ИПИ-технологий, методику расчета системы рейтингов вычислительных ресурсов предприятия, подразделений и отдельных рабочих мест с учетом их информационной нагрузки, методику адаптивного поэтапного внедрения ИПИ-технологий и интеграции их в единое информационное пространство предприятия
Метод и алгоритм «мягкого» адаптивного распределения прав доступа пользователей к информационным ресурсам вычислительных сетей разной структуры по критерию информационной безопасности
Ресурсораспределительный метод автоматизированного размещения элементов в условиях комплексного воздействия дестабилизирующих факторов
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы, разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии Участие автора в получении научных результатов опубликованных в соавторстве, отражено в списке основных публикаций
Практическая значимость результатов диссертационной работы
теоретические исследования и научные результаты работы доведены до инженерных
решений в виде методик, структурных схем соответствующих вычислительных систем II
алгоритмов, пригодных для практического использования при разработке программного
обеспечения САПР технических систем различного назначения и программных средств, реализующих предложенные и разработанные модели, методы и алгоритмы интерактивного распределения вычислительных ресурсов,
предложенные автором методы, модели и алгоритмы позволяют повысить эффективность принимаемых проектных решений, которая обусловлена выбором оптимальных значений параметров элементов, интегральных характеристик и технико-экономических показателей проектируемых технических систем,
с использованием разработанных расчетных методик реализована технология поэтапного внедрения ИПИ-технологий на предприятиях радиоприборостроения в условиях организационных изменений и ограниченных ресурсов,
разработаны имитационные модели и пакеты программ, предназначенные для проектирования информационных систем, которые позволяют решать задачи пред- и послепроект-ных исследований эффективности функционирования разработанных АС, предусматривающие процедуру текущего мониторинга вычислительных ресурсов
Реализация и внедрение работы. Теоретические и прикладные результаты диссертационной работы внедрены
в ФГУП ННИПИ «Кварц» г Н Новгород при разработке концепции, модели и методик внедрения ИПИ-технологий и их реализации в условиях организационных изменений и ограниченных ресурсов,
в АНПП «ТЕМП-АВИА» г Арзамас при проведении мониторинга вычислительных ресурсов подразделений предприятия в связи с оптимизацией их распределения,
в ФГУП НПП «Полет» г Н Новгород при создании программных средств автоматизации конструкторского проектирования узлов и блоков бортовой аппаратуры связи, эксплуатируемых в условиях комплексного воздействия ДФ (механических воздействий и тепловых режимов), при создании математических моделей печатных узлов, ячеек и блоков, при разработке методик рационального размещения электрорадиоэлементов на печатных узлах и в блоках бортовой РЭА,
в Нижегородском региональном институте управления и экономики АПК при разработке проекта информационной системы института, интегрированной в корпоративные информационные сети и глобальную сеть Интернет,
в ОАО «ЛУКОЙЛ-Информ» при разработке проекта специализированной информационной системы «Безопасный интеллектуальный офис»,
в учебном процессе в Институте радиоэлектроники и информационных технологий НГТУ при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам учебного плана направлений 551100 и 654300 "Проектирование и технология электронных средств", при выполнении курсовых и дипломных проектов
Апробация результатов работы Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических семинарах и конференциях научных семинарах кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве» ИРИТ НГТУ (Н Новгород, 1987-2007 гг), научно-технических конференциях факультета информационных систем и технологий НГТУ (Н Новгород. 1995-2000 гг), 9-й научно-технической конференции радиофизического факультета ННГУ (Н Новгород, 2005 г), «Автоматизация проектирования РЭА и ЭВА», (Пенза, 1982, 1984, 1989 гг), «Актуальные вопросы построения систем управления сложным распределенным оборудованием и предоставлением услуг» (Н Новгород,2004 г), всесоюзных научно-технических конференциях «Разработка и оптимизация САПР и ГАП изделий электронной техники на базе высокопроизводительных мини и микро-ЭВМ» (Воронеж, 1989 г) «Математическое моделирование и создание САПР для расчета, анализа и синтеза систем» (Ростов-Великий, 1990 г), «Технико-экономическая эффективность повой радиоэлектрон-
ной техники» (Горький, 1990 г), республиканских научно-технических конференциях «АДАПТАЦИЯ» (Киев, 1988-1991 гг), «Численные методы и средства проектирования и испытаний элементов твердотельной электроники» (Таллин, 1989 г ), всероссийских научно-технических конференциях «Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве» (Н Новгород, 1999 г), «Информационные системы и технологии» ИСТ (Н Новгород, 2001-2005 гг), «Информационные технологии в учебном процессе» (Н Новгород, 2002, 2007 гг), «Информационные технологии в промышленности и учебном процессе» (Москва-Арзамас, 2004 г ), «Инновационные технологии управления организационными изменениями» (Н Новгород, 2004 г), «Технологии ИНТЕРНЕТ - на службу обществу» (Саратов, 2005 г), международных научно-технических конференциях: «КОГРАФ» (Н Новгород, 2001, 2002, 2004 гг), «Математические методы в технике и технологиях» ММТТ-15 (Тамбов, 2002 г), «Идентификация систем и задачи управления» SICPRO (Москва, Институт проблем управления РАН, 2003, 2005, 2006 гг), «Интеллектуальные системы» AIS и «Интеллектуальные САПР» CAD (Дивноморское, 2005 г), «Информационные системы и технологии» ИСТ (Н Новгород, 2006, 2007 гг)
Публикации. Основное содержание диссертационной работы отражено в 66 печатных работах двух монографиях, учебном пособии, 8 представлены в научных изданиях, рекомендуемых ВАК Министерства образования и науки РФ, 31 статья опубликована в межвузовских и ведомственных тематических сборниках, 16 работ в сборниках трудов международных и 8 работ - всероссийских научно-технических конференций В целом по теме диссертации опубликованы 124 научные работы, включая зарегистрированные отчеты по НИР и тезисы докладов на научно-технических конференциях
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы и приложений Работа содержит 91 рисунок, 20 таблиц Список использованной литературы включает 280 наименований Объем работы без учета приложений составляет 355 страниц
Тенденции в стандартизации информационной поддержки жизненного цикла автоматизированных систем
Растущая зависимость промышленно развитых стран от источников информации (технической, экономической, научной, технологической, военной и т.п.), а также от уровня развития и эффективности использования средств передачи и обработки информации, привела в 80-е годы XX столетия к формированию принципиально новой экономической категории - национальные информационные ресурсы [1]. Исторически новым оказался отчетливо наблюдаемый в ведущих мировых державах за последующие на рубеже веков десятилетия стремительный рост экономической значимости народнохозяйственных аспектов национальных информационных ресурсов [2]. По авторитетному мнению исследователей [1-5] корректная постановка вопросов об их количественной и качественной оценке во взаимосвязи с другими экономическими категориями по прежнему еще только ожидает достойной проработки и потребует длительных усилий ученых и специалистов самых разных областей знания. Вполне целесообразной будет попытка обобщения сложившихся в конкретной предметной области условий и обстоятельств применения ИТ для модернизации традиционно применяемых методов и средств с целью реализации инновационных подходов к их совершенствованию. По аналогии с предшествующей «промышленной революцией», означившей в начале 20-30-х годов XX века появление технологий организации массового производства унифицированных и стандар тизуемых изделий, нынешняя «информационная революция» создает технические предпосылки для более быстрой реакции производителя на быстро изменяющиеся запросы потребителя. Такой доминанте промышленного производства соответствует концепция индустрии, управляемой рынком (market driven industry), в отличие от господствовавшей ранее концепции (technology driven industry), согласно которой пути будущего развития определялись, исходя из прогноза ожидаемых возможностей технологии [2]. Таким образом, если ранее вероятность успеха на мировом промышленном рынке предопределял «техно-центрический» подход, то теперь коммерчески более эффективен «антропоцентрический» подход. На наших глазах медленно, но верно происходит поворот от выверенной годами традиционной стратегии первичности применяемых технологий в формировании потенциальных запросов потребителей к адаптивным стратегиям точного отслеживания промышленностью самых разнообразных, быстро изменяющихся запросов потребителей, охваченных потоками товарообмена мирового промышленного рынка.
Разнообразные АС, базирующиеся на высокопроизводительных ПК и других ВС, объединенных вычислительными сетями, представляют собой средства труда ИТ, являясь, по существу, носителем их материального воплощения.
Современная практика проектирования, производства, внедрения, эксплуатации и утилизации АС, как и других промышленных изделий, включая элементы их технического обеспечения - вычислительные средства (ВС), составляет их жизненный цикл (ЖЦ) [5]. Условия реализации ЖЦ АС определяют подходы к классификации и иерархическому структурированию различных видов и элементов АС, а также применения принципов ИПИ-технологий. В общем случае, АС предназначены для решения сложных комплексных задач, начальные и граничные условия которых составляются множеством взаимосвязанных и противоречащих друг-другу факторов, параметров и ограничений. Большая часть этих исходных данных заданы с той или иной степенью неопределенности. Важным условием, усиливающим степень неопределенности, является расширение применения интерактивных режимов взаимодействия с поль зователями, обеспечивающих их активное участие в процессе разработки, производства и эксплуатации АС. Решающим фактором уменьшения степени неопределенности исходных данных является структурирование состава элементов сложной системы, связей между ними, а также множеств внешних и внутренних параметров АС. Отечественная система стандартизации до 1991 г. включала в себя специализированные группы государственных и отраслевых стандартов - ГОСТы групп 22, 23 и 24, определяющих и регламентирующих соответствующую предметную область - автоматизированные системы управления, системы автоматизированного проектирования, программные комплексы и т.п. Названные стандарты устанавливали терминологию, общие положения, порядок разработки, производства и внедрения, нормативные требования по заданным категориям АС. Указанные подходы к структурированию системы в целом наиболее полно разработаны преимущественно для группы ВС, предназначенных для решения задач проектирования - систем автоматизированного проектирования (САПР). В результате такого позиционирования в них не предусмотрен переход АС на технологию персональных вычислений, поддерживаемый соответствующими системными и прикладными программными продуктами, а также не выражены элементы организационного обеспечения, определяемые современными условиями реализации ЖЦ и ИПИ-технологиями. Тем не менее, родственная природа объектов, ориентация на использование унифицированных аппаратных платформ, унификация интерфейса, ориентация на интерактивные методы обработки информации позволили рассматривать возможность переноса методов и результатов структурирования на более широкую базу АС, включая прикладные интегрированные офисные системы, распределенные базы данных с системами управления, локальные вычислительные системы, корпоративные и глобальные компьютерные сети.
Системный подход к интерактивному управлению ресурсами технических систем при проектировании
Наука с древнейших времен занимается сбором и переработкой информации. Научные методы познания по праву можно считать одной из самых старых ИТ, так как научные методы - это методы качественного преобразования информации. Научный подход к проектированию всегда сочетал и сочетает анализ и синтез. Компьютерная техника, благодаря своему быстродействию, возможностям выполнения трудоемких вычислений, предоставления обширной расчетной информации, построенной с использованием математических методов и моделей, уже давно стала инструментом проектирования. Использование развитых методов анализа при проектировании сложных систем естественным образом привело к постановке задач их синтеза с заданными свойствами. Разработчика-проектировщика уже не удовлетворяет просто анализ одного варианта системы, он стремится к получению альтернативных конкурирующих вариантов, чтобы выбрать из них лучший, используя неформальные методы и приемы выбора в интерактивном режиме взаимодействия с ПК. Такой способ автоматизации проектной деятельности неизбежно требует решения комплексных проблем, каждая из которых охватывает самые различные предметные области: математическое моделирование, численные методы, исследование операций, методы оптимизации и т.п. Таким образом, для постановки и решения проектных задач требуется применение системного подхода, и, как следствие, использование методов системного анализа, основанных на качественно новых ИТ. Просматривается только один путь создания таких технологий - это использование математического моделирования, методов теории управления, математического анализа, методов искусственного интеллекта и теории принятия решений. АС в этом случае является технической основой внедрения инновационных ИТ. Следовательно, становится вполне очевидной необходимость использования математических методов и моделей теории управления.
Успешное применение разнообразных АС пока объясняется в основном прямой эксплуатацией их ВР (быстродействия и объемов памяти ПК), стимули руемых достижениями современных микроэлектронных технологий. Однако ВР имеют естественные пределы, ограниченные возможностями заложенных в их основу физических принципов и явлений, в то время, как сложность решаемых задач со временем неуклонно увеличивается. К числу таких задач относятся задачи проектирования сложных систем и объектов, в том числе и самих АС. Попытки реализовать процессы проектирования без организации полноценного интерактивного взаимодействия с пользователем АС все реже приводят к успеху. Таким образом, без системного анализа проблемы проектирования, без разработки инвариантной общей теории проектирования сложных систем в рамках специального раздела теории системного анализа и ее приложений к конкретным проблемным областям дальнейший прогресс и инновационные преобразования в сфере автоматизации интерактивных технологий проектирования невозможны.
Построить такую теорию можно лишь на основе исследований процесса проектирования конкретных систем и объектов, применения всего арсенала современных математических методов управления, использования ММ, методов системного анализа и т.п. Разработка подходов к решению этих проблем намеченными методами позволит, по сути, сформировать ядро инновационной технологии проектирования. Сделанные ранее выводы об особенностях развития АС как элемента ИТ, наряду с применением новых и традиционных подходов к математическому моделированию систем и объектов могут служить методологической основой решения проблем формализации процесса интерактивного проектирования, построения его адекватной ММ. В силу необходимости обеспечения взаимодействия АС с пользователем, прежде всего, необходимо выделить вопросы соответствующей интерактивному режиму корректной постановки задачи проектирования, создания методов решения проблемно- и объектно-ориентированных проектных задач и, самое главное, способов эффективного управления процессом проектирования на уровне его ММ и применяемых расчетных процедур.
Достаточной математической основой для развития методов интерактивного управления решениями в процессе проектирования можно считать работы по теории системного анализа и исследования операций в динамических системах [17-19], из которых необходимо отметить монографии Ю.Б. Гермейера [18] и Ю.И. Неймарка [19]; работы по теории управления и моделирования сложных систем [20-65], и среди них выделить монографии Р. Калмана [20], Н.П. Бусленко [21-25], Л.А. Растригина [26], Я.З Цыпкина [27-29], К.А. Пупкова [30, 31], А.Л»Фрадкова [50], В.А. Вязгина и В.В. Федорова [54], Д.И. Бати-щева [56-58, 81], Ю.Х. Вермишева [59], В.Н. Буркова [66], а также работы К.Г. Кирьянова [34, 35]; работы по математической теории распределения ресурсов в активных и многоуровневых системах [66-81], выделив среди них монографии В.Н. Буркова и Д.А. Новикова [67, 68], работы М.Х. Прилуцкого [69-77], Ю.С. Федосенко [78-80], Д.И. Когана [79-81]; работы по идентификации сложных динамических систем - монографию Я.З. Цыпкина [82], работы И.В. Прангишвили, В.А. Лотоцкого, К.С.Гинсберга, Д.М. Басанова [83-85]; работы по применению методов искусственного интеллекта [36-49], из которых особо отметим работу и монографию Л.Заде [36, 37], монографии А.И. Борисова [38], А. Кофмана [39], Р.А. Алиева [42], Н.Г. Ярушкиной [43], А.А. Ускова, А.В. Кузьмина [44], работы зарубежных авторов [46-49]; работы по теории ситуационного управления и «человеко-машинным» системам [40, 45, 101-105], выделив среди них работы Д.А. Поспелова [104] и Г.М. Зараковского [101].
Управление вектором весовых коэффициентов параметров при интерактивном распределении ресурсов
Полученные соотношения (2.3 - 2.5) выражают и полностью соответствуют условиям согласованности динамической системы, введенным Л.Заде при определении понятий состояния системы и переменных состояния [25,27].
Замечание 2.1. Под входным воздействием U со стороны САПР или Z со стороны ЛПР в данном случае при интерактивном управлении ресурсами ТС в процессе ее проектирования рассматриваются любые алгоритмы формирования наборов элементов и изменения их параметров, реализуемые АС, или прямые воздействия проектировщика на структуру и параметры проектируемой ТС. Определение модели интерактивного распределения ресурсов как динамической системы [20,24,25], представляющей по своей математической сути два основных множества X - ресурсов системы и Y - интегральных выходных характеристик (при условии их корректного описания) с определенным отношением между их элементами F, заданным соответствием q=(X,Y,F) в виде отображения множества X (как аналога входных воздействий) в множество Y (как аналог реакций системы), требует обязательного назначения для каждого варианта реализации системы наряду с множеством входных воздействий еще и множества состояний динамической системы. Введенное множество S (п.п. 2.2.4, рис. 2.6) определяет необходимую совокупность признаков, характеризующих объект, и позволяет идентифицировать его в данный момент времени, а также прогнозировать его дальнейшее поведение [24]. Анализ особенностей применения предложенной выше модели в различных приложениях к задачам автоматизированного проектирования ТС [133,136,138,139,145], проведенный на основе признаков, сформулированных в [26], позволил определить ее характерные свойства:
Динамичность. Обусловлена наличием зависимости выходных параметров модели не только от входных воздействий в текущий момент времени ti, определяемых параметрами элементов, но и от их предыдущих значений в моменты - т;
Нелинейность. Определяется тем, что реакция модели на изменения двух и более входных воздействий не эквивалентна сумме реакций на каждое из этих возмущений в отдельности;
Детерминированность. Определена отсутствием внутри модели элементов с неконтролируемым или стохастическим изменением их параметров и соответствующими зависимостями от них выходных параметров модели;
Дискретность. Задается характером изменения параметров элементов, принимающих значения из конечного множества величин и изменяемых в дискретно определенные моменты времени.
Стационарность. Определяется независимостью реакции системы от промежутка времени, на который эта реакция определена, при условии, что система находилась в заданном состоянии, определяемом зафиксированным конечным множеством элементов и их параметров. То есть основные соотношения (функционал F) и структура модели не меняются во времени.
Перечисленные свойства позволяют применить для ее описания математическое определение динамической модели [20]. Такое определение позволяет выработать общую терминологию, единый универсальный математический аппарат и выявить общие закономерности и единство в разнообразных приложениях модели. В каждом конкретном применении путем введения условий, ограничений и упрощений становится возможным получение полезных результатов, адекватных практической реализации моделируемых систем.
Анализ предлагаемой динамической модели интерактивного распределения ресурсов позволяет выявить ее непосредственную связь с моделями функционирования динамических систем автоматического управления, применяемыми в соответствующих САПР [54] и построенными в соответствии с классическим определением динамической системы [20]. Действительно, в отличие от развиваемых в работах [19-31, 60-63] моделей различных систем автоматического управления, где оператор G, устанавливающий связь между состоянием системы и ее выходной величиной, описывается в виде дифференциальных уравнений, в нашем случае G определяется функционалом F, выражающим теоретико-множественное соответствие q=(P,Y,F) с учетом воздействия внешних факторов Л, получаемое в результате имитационного моделирования процесса формирования объектно-ориентированных наборов модулей системы.
Таким образом, проведенный анализ динамической модели интерактивного распределения ресурсов при проектировании дает возможность определить предлагаемую ММ (2.2) как структурно-параметрическую модель в пространстве состояний [20,24,25]. Модель позволяет описывать функционирование АС интерактивного распределения ресурсов ТС при их проектировании и идентифицировать ее, исходя из определения идентификации, как особого вида проектной деятельности, направленной на построение различных моделей проектируемых ТС, необходимых с точки зрения проектировщика для отыскания конструктивного решения на разных этапах их ЖЦ.
В настоящее время существует актуальная потребность создания наукоемких технологий для поиска решения практических задач, содержащих трудно формализуемые условия, параметры и характеристики, и предъявляющих высокие требования к качеству управления, оценивания и прогнозирования [83-85]. К числу таковых, несомненно, относится проблема создания технологий интерактивного управления ресурсами ТС и их элементов при их автоматизированном проектировании. Основное назначение таких технологий - информационная поддержка функционирования системы проектировщик-САПР, как субъекта идентификации, по преобразованию трудно формализуемых условий в хорошо формализуемые на основе целенаправленного отбора, человеко-машинной переработки и порождения нового знания [83]. Решающее значение в их разработке имеет применение методов системного анализа к исследованию проблем идентификации, фундаментальные исследования математических и вычислительных проблем управления, концептуальных и когнитивных аспектов идентификации и моделирования, разумного сочетания строгих математических методов и эвристического моделирования. В этом плане весьма перспективным просматривается применение конструктивных подходов к проблеме управления решениями при интерактивном проектировании, суть которых сформулирована в разделе 1.3 настоящей диссертации. Будем понимать идентификацию как особый вид человеческой деятельности, направленный на построение всех моделей объектов реальности, необходимых с точки зрения субъекта деятельности для отыскания решения практической или познавательной проблемы. Идентификация заканчивается в момент отыскания решения проблемы. Результатом идентификации всегда является модель системы объектов реальности [84].
Идентификация модели распределения ресурсов в пространстве параметров
Описание ЖЦ с целью внедрения ИПИ-технологий предусматривает определение ИТ как особого рода человеческой деятельности, направленной на обеспечение эффективного информационного взаимодействия на всех стадиях его реализации. Наиболее трудоемкими и информационно насыщенными являются начальные этапы производственной стадии: научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, проектирование и технологическая подготовка производства. Любое информационное взаимодействие в ходе реализации этих стадий жизненного цикла требует присутствия управляющих воздействий, определяющих наиболее эффективный способ использования ресурсов профессионального потенциала исполнителей. Основным субъектом информационного взаимодействия в современных ИТ является коллектив исполнителей, поэтому наряду с необходимостью управлять циркулирующей в нем производственной информацией возникает потребность управления персоналом, осуществляющим процесс информационного обмена
Процесс управления персоналом при проведении организационных изменений неизбежно связан с необходимостью перегруппировки коллективов исполнителей производственных заданий. Особенно характерной такая необходимость становится при проведении инновационных преобразований трудовой деятельности, связанных с внедрением ИПИ-технологий, в условиях ограниченных ресурсов профессионального потенциала сотрудников и при наличии временных ограничений на решение поставленных целей.
Особенности применения инновационных подходов для ИТ в последние десятилетия XX века сформулированы Г.Р. Громовым [1]. В работах [1,2,6-8] предложена эволюционная концепция развития ИТ, которая позволяет сформулировать более полную систему оснований для классификации бывших в употреблении, имеющихся, вновь создаваемых и перспективных инструментов ИТ и способов формального информационного описания способов их реализации в производственном процессе. Такой анализ позволяет учитывать не только параметры базовых составляющих, но и в значительной степени субъективные трудноформализуемые показатели, определяемые утилитарными характеристиками субъектов ИТ.
Необходимым условием моделирования решений задачи формирования коллективов для достижения конкретных целей трудовой деятельности в области ИТ является определение формализованных показателей квалификационных характеристик выполняемых работ, профессионального потенциала отдельных исполнителей и критериев эффективности их группового взаимодействия [260-262]. Феноменологическая модель квалификационной характеристики специалиста с учетом состава КОАС для ИПИ-технологий приведена на Рис.4.30. Размер «лепестка» эквивалентен нормированной оценке уровня квалификации специалиста по соответствующему направлению профессиональной подготовки для создания определенного вида обеспечения КОАС.
Системотехника ТО Процесс составления целевых ориентированных групп (ЦОГ) (Q) из множества исполнителей (коллектива), имеющих необходимые проблемно-ориентированные навыки (ПОМИ) (М), описывается с использованием теоретико-множественной модели в виде отображения Г: М— Q, полностью совпадающей с базовой моделью распределения ресурсов (2.6), принятой и обоснованной в разд. 2.3.2 диссертации. Нетрудно видеть, что принятие решений, связанных с формированием целевых коллективов с определенным потенциалом достижения поставленной цели, аналогично распределению ресурсов профессионального потенциала исполнителей с учетом характеристик их способностей к выполнению требуемых задач, определяемых, в свою очередь, квалификационными характеристиками (требованиями) выполняемых работ.
Так как решение задачи формирования целевых коллективов предполагается реализовать в интерактивном режиме, то целесообразно разбить ее на два этапа [145]. На первом этапе процедура формирования ЦОГ реализуется путем выполнения определенных целевых заданий в пробном тренинговом режиме путем создания промежуточных (имитационных) рабочих групп наборов V/, составляемых руководителем проекта из т,-єМ. Предложенная процедура формирования ЦОГ включает этап имитации в тренинговом режиме работы временного коллектива маршрутом V/, составляемым из исполнителей тгеМв соответствии с поставленными целевыми задачами с учетом предпочтений руководителя проекта и формализованных параметров квалификационных характеристик выполняемых работ, профессионального потенциала отдельных исполнителей и критериев эффективности их группового взаимодействия. При достижении устойчивой работоспособности алгоритма, реализуемого временным коллективом маршрутом V;, составленным из vjeVy, перешедших, в свою очередь, из ПОМИ М при образовании временного коллектива, на втором этапе, осуществляется закрепление стабильно складывающихся ЦОГ. Следовательно, основное отображение целесообразно разбить на два уровня: Г M- V и Г2: V—»Q, где V - множество маршрутов, имитирующих процесс формирования ЦОГ из ПОМИ.
Доказывается, что универсальным математическим аппаратом для адекватного формального описания поставленной задачи является аппарат нечетких множеств (НМ) [146,261]. Состояние элементов формируемой системы т,єМ с учетом неопределенности условий вхождения исполнителей в различные ПОМИ, обусловленной изменяющимися условиями управления, может
Для обеспечения возможности описания модели как в пространстве со стояний составляющих элементов, так и в области их параметров, предлагается использовать комбинированную векторную модель: Y=F(M,V,Q,P,A), где F теоретико-множественный функционал, выражающий соответствие 7=(M-»V-»Q,P,Y,F) с учетом воздействия внешних факторов Л. Набор управляемых переменных обозначен вектором Р = (риР2, Рп)- Величины, характеризующие свойства объекта в целом, как системы (выходные параметры) определяются вектором Y = (у\, у2, ...ут). Управляемые переменные Р и выходные характеристики Y задают свойства исследуемой системы, а внешние параметры Л являются, как правило, константами и характеризуют внешнюю среду. При этом, Л и Р играют роль независимых переменных, а выходные параметры Y являются зависящими от них величинами. Фактически, при наличии целевой функции, дальнейшим преобразованиям должна подвергаться модель в виде
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")