Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Иерархические системы преобразования ресурсов (ИСПР) и проблемы их анализа 11
1.1 Понятие иерархической системы преобразования ресурсов 11
1.2 Примеры иерархических систем управления движением ресурсов 21
1.3 Классификация ИСПР 27
1.4 Оценка эффективности управляющих воздействий и принятия решений в ИСПР 29
1.5. Анализ существующих средств описания и имитационного моделирования иерархических систем преобразования ресурсов 34
Глава 2 Структура и математическое описание иерархических систем преобразования ресурсов 40
2.1 Структура иерархической системы преобразования ресурсов 40
2.1.2 Модель простого преобразователя 41
2.1.4 Модель распределителя ресурсов 43
2.1.3 Структура потока ресурсов 47
2.1.3 Модель преобразователя с накопителем ресурсов 47
2.1.4 Структура управляющего элемента 49
2.1.5 Структура преобразователя с несколькими выходами 57
2.2 Анализ и оптимизация ИСПР 64
Глава 3 Пути реализации системы моделирования и управления процессами преобразования ресурсов 75
3.1 Принципы построения подсистема сбора значений базовых показателей 77
3.2. Подсистема моделирования ИСПР 79
3.3 Принципы построения подсистемы поиска эффективного управления движением ресурсов и пути ее реализации 101
3.4 Принципы построения подсистемы мониторинга 102
4. Примеры реализации и результаты 104
4.1 Подсистема сбора и мониторинга показателей социально-экономического развития муниципального образования 104
4.1.1 Система показателей социально-экономического развития крупного муниципального образования 104
4.1.2 Структура системы и ее функциональные возможности 106
4.1.3 Информационно-логическая модель подсистемы 120
4.2 Подсистема прогнозирования значений показателей и индикаторов 123
4.2.3 Модели поведения 129
4.2.4 Результаты проведенных экспериментов 132
Заключение 141
- Понятие иерархической системы преобразования ресурсов
- Модель распределителя ресурсов
- Структура преобразователя с несколькими выходами
- Подсистема моделирования ИСПР
Введение к работе
Актуальность. Данная работа посвящена рассмотрению иерархических систем преобразования ресурсов, в которых координация объектов управления для достижения общих целей реализуется в форме целенаправленного воздействия на потоки ресурсов, существующих между самостоятельными объектами системы или в форме распределения ресурсов централизованных фондов, аккумулируемых на верхних уровнях иерархии. Таким образом, элементы системы функционируют в условиях вынужденной необходимости.
Управляющий элемент в таких системах выполняет функцию мониторинга показателей качества функционирования и выработки управлений потоками ресурсов, направленных на достижение поставленных задач.
Примерами систем, использующих подобные методы управления потоками ресурсов, являются корпорации, холдинги, субъекты регионального и муниципального управления. Каждый элемент таких систем обладает собственной системой управления и функционирует исходя из собственных интересов и целей, которые могут не совпадать с целями центрального управляющего элемента.
Так, например, потоками ресурсов на уровне муниципального образования управляет администрация образования, а также вышестоящие органы власти, которые собирают налоги и распределяют их в виде субсидии. Здесь в качестве объектов управления с самостоятельными целями и поведением выступает множество предприятий и домашних хозяйств.
Управление объектами в этом случае возможно только путем установления внешних правил поведения, а также при помощи управления входными и выходными потоками ресурсов. Только этим способом может быть достигнуто функционирование системы в заданном целевом поле, поскольку к подобным системам не могут быть применены другие способы управления процессами преобразования ресурсов, связанные с внесением изменений во внутреннюю структуру объекта управления или с изменением последовательности выполняемых операций.
Задача определения эффективного управления потоками ресурсов в таких динамических системах регулирования является сложной, плохо поддающейся строгому
математическому описанию. Эксперты вынуждены принимать решения в условиях недостаточной обоснованности, что повышает риск получения неверного результата.
В настоящее время методам решения таких задач и созданию соответствующих информационных средств поддержки принятия решений уделяется значительное внимание. Речь идет, прежде всего, о средствах информационной поддержки деятельности экспертов и распорядителей ресурсов, позволяющих осуществлять мониторинг выполнения целей, анализировать варианты возможных решений, а также определять наиболее эффективные решения в заданном экспертом диапазоне. Таким образом, разработка систем, позволяющих решить комплекс задач мониторинга, управления и поиска эффективного управления потоками ресурсов в иерархических системах преобразования ресурсов является важной научно-технической задачей.
Объектом исследования являются иерархические системы преобразования ресурсов.
Предмет исследования - способ управления сетью автономных преобразователей с закрытой для изменения внутренней структурой и собственной системой управления, а также принципы построения соответствующей системы поддержки принятия решений.
Цель исследования: представление активной системы в виде сети автономных преобразователей, разработка математической модели иерархической системы преобразования ресурсов, исследование методов управления сетью автономных преобразователей, разработка подходов к построению систем моделирования и управления объектами иерархической системы преобразования ресурсов, применение полученных результатов для создания системы сбора, мониторинга и прогнозирования показателей социально-экономического развития муниципального образования.
Научная новизна работы.
-
Представление активной иерархической системы в виде управляемой сети автономных преобразователей.
-
Способ поиска эффективного управления системой автономных преобразователей на основе регулирования потоков ресурсов с использование метода покоординатного спуска.
-
Математическая модель иерархической системы преобразования ресурсов, отличающаяся тем, что:
элементы системы представлены в виде сети автономных преобразователей;
управление в рамках сети осуществляется путем регулирования потоков ресурсов между элементами системы.
Практическая значимость результатов работы.
Разработанная математическая модель иерархической системы преобразования ресурсов, в рамках которой предложен способ управления сетью автономных преобразователей с закрытой внутренней структурой и собственной системой управления, может быть использована для построения моделей систем управления движением и распределением потоков ресурсов и соответствующих систем принятия решений в технической и экономической областях.
Реализация и внедрение. Система сбора, хранения и мониторинга значений базовых показателей и индикаторов внедрена в Комитете по экономике Администрации города Екатеринбурга. Подсистема прогнозирования положена в основу системы поддержки принятия решений, разрабатываемой Комитетом по экономике Администрации города Екатеринбурга (акт от 14.12.2005). Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Радиотехнического института Уральского государственного технического университета - УПИ (акт от 04.05.2006). На защиту выносятся:
-
Представление активной иерархической системы в виде управляемой сети автономных преобразователей.
-
Математическая модель иерархической системы преобразования ресурсов, отличающаяся тем, что:
элементы системы представлены в виде сети автономных преобразователей;
управление в рамках сети осуществляется путем регулирования потоков ресурсов между элементами системы.
3. Способ поиска эффективного управления системой автономных преобразователей
на основе регулирования потоков ресурсов с использованием метода
покоординатного спуска.
4. Принципы построения информационной системы управления движением ресурсов в иерархических системах преобразования ресурсов.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (Москва, 2004), Всероссийской научно-практической конференции "Муниципальные информационные системы: достижения, проблемы, перспективы" (Екатеринбург, 2003, 2004), Международной научно-практической конференции «Связь-Пром» (Екатеринбург, 2005, 2006), III региональной научно-теоретической конференции «Политические, экономические и социокультурные аспекты регионального управления на европейском севере» (Сыктывкар, 2004), конференциях молодых ученых ГОУ УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2003, 2004, 2005), результаты диссертации использовались при разработке «Интернет среды макроэкономических исследований региона», поддержанной РФФИ.
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 научная работа и выпущено 4 научно-технических отчета, в том числе 3 работы опубликованы в печатных изданиях, рекомендованных ВАК.
Достоверность полученных результатов подтверждается:
привлечением формальных логических теорий для доказательства научных положений;
проведением компьютерных экспериментов, обеспечивающих сравнительный анализ с реальными данными;
применением компьютерной реализации предложенных подходов в организациях и предприятиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем основной части работы составляет 156 страниц машинного текста. Диссертация содержит 52 рисунка и 8 таблиц. Список литературы включает 120 наименований.
Понятие иерархической системы преобразования ресурсов
Существенный вклад в развитие теории управления в системах преобразования ресурсов и теории моделирования ППР внесли такие ученые как академик Моисеев Н.Н, Бурков В.Н, Новиков Д. А. Среди ученых У ПИ в рамках данного направления можно выделить работы Лисиенко В.Г. и Гольдштейна С.Л., Клебанова Б.И.
Необходимость разработки интеллектуальных систем поддержки принятия решений при управлении сложными объектами и процессами обуславливается непрерывным возрастанием сложности управляемых объектов и процессов с одновременным сокращением времени, отводимого лицам, принимающим решения на анализ проблемной ситуации, идентификацию возникшего отклонения от нормального режима функционирования объекта, поиска возможных корректирующих решений по воздействию на объект, оценку последствий принимаемых решений и, наконец, выдачу команд на отработку необходимых управляющих воздействий [9].
Еще более усложняется задача тактического и стратегического управления системами в случае, если в качестве объекта управления выступают активные системы, сложность управления которыми обусловлена, в первую очередь, присутствием в них человека или группы людей. Функционирование активной системы характеризуется наличием выбора индивидуальных стратегий поведения отдельных ее участников в рамках общей стратегии, диктуемой руководящим центром [107].
Примерами таких систем являются предприятия, корпорации, холдинги, элементы экономических систем. Теоретические исследования [6], связанные с анализом механизмов функционирования иерархических активных систем, сталкиваются с двумя принципиальными проблемами. Прежде всего, это - сложность моделирования организационных механизмов. Вторая сложность вытекает из первой. Описание поведения человека или коллективов людей в организационной системе при разработке моделей, как наиболее полно отражающих присутствие человека в системе, так и предельно упрощенных, приводит к необходимости формирования определенных гипотез о поведении людей в моделируемой обстановке. Разработка рекомендаций по совершенствованию механизмов функционирования организационных систем основывается на сравнении результатов деятельности этих систем при действии различных механизмов и определении наилучшего результата по заданному критерию. Естественно, что для такого сравнения должны быть разработаны соответствующие критерии и построены процедуры оценки эффективности управляющих механизмов.
Присутствие активной составляющей в таких системах делает невозможным проведение экспериментов непосредственно над объектом управления. При этом, лицо, принимающее решение, должно формировать управляющее воздействие, предварительно выбрав из множества альтернативных вариантов решения проблемы, обосновав его и всесторонне оценив все возможные последствия.
Сложность изучаемых и проектируемых систем приводит к необходимости создания специальной, качественно новой техники исследования, использующей аппарат имитации - воспроизведения на ЭВМ специально организованными системами математических моделей функционирования проектируемого или изучаемого комплекса. Для этой цели и должны быть созданы модели, имитирующие реальность, имитирующие изучаемый процесс. Эксперт с помощью этих моделей, с помощью серии специально организованных вариантных расчетов получает те знания, без которых выбрать альтернативный вариант своей стратегии он не может [108].
В настоящее время методам решения таких задач и созданию соответствующих информационных средств поддержки принятия решений уделяется значительное внимание. Речь идет, прежде всего, о средствах информационной поддержки деятельности экспертов и распорядителей ресурсов, позволяющих осуществлять мониторинг выполнения целей, анализировать варианты возможных решений, а также определять наиболее эффективные решения в заданном экспертом диапазоне.
Одним из интереснейших подклассов иерархических активных систем являются системы, в которых в качестве объекта управления выступают процессы преобразования ресурсов, включающие в себя автономно-функционирующие преобразователи с собственной системой целей. Такие системы имеют ряд особенностей и, к сожалению, в литературе отсутствует детальное описание моделей иерархических активных систем, основанных на таком подходе. В связи с этим, в данной работе рассматриваются иерархические системы преобразования ресурсов (ИСПР) и делается попытка определения эффективного управления для устойчивых (не меняющих свою структуру) ИСПР. К процессам преобразования ресурсов относятся множество окружающих нас процессов, таких как производственные процессы, процессы, протекающие в экономике, в окружающей среде и различных преобразовательных агрегатах. Под процессом преобразования ресурсов понимается процесс преобразования входа в выход. Процесс преобразования ресурсов предполагает уменьшение (потребление) объема входных ресурсов и увеличение (производство) объема выходных ресурсов. Классификация ресурсов с точки зрения их использования в процессе приведена на рисунке 1.1. Потребляемые ресурсы (входы) - ресурсы, которые используются в процессе только один раз и после этого не могут быть использованы для какой-либо другой цели. В зависимости от роли в процессе преобразования ресурсов, потребляемые ресурсы делятся на прямые (непосредственно входящие в конечный продукт и являющиеся его составной частью) и косвенные (участвующие в процессе преобразования, но не являющиеся составной частью конечного продукта).
Модель распределителя ресурсов
Поскольку ИСПР в общем случае состоит из множества взаимосвязанных активных элементов, функционирующих в соответствии со своими внутренними целевыми установками, а механизм функционирования и управления преобразователя может быть изменен под действием значений показателей системы, то заранее предугадать реакцию показателей всей системы в целом представляется достаточно сложной задачей, равно как и в случае с отдельным преобразователем с несколькими выходами. При этом, с добавлением каждого нового активного элемента в системы, размерность задачи существенно возрастает.
Теоретические исследования, связанные с анализом механизмов функционирования ИСПР, сталкивается с двумя принципиальными проблемами. Прежде всего, это - сложность моделирования управляющих механизмов. Вторая сложность вытекает из первой. Описание поведения человеко-машинных систем, а тем более человека или коллектива людей в ИСПР при разработке моделей как наиболее полно отражающих присутствие человека в системе, так и предельно упрощенных, приводит к необходимости формирования определенных гипотез о поведении людей в моделируемой обстановке. Разработка рекомендаций по совершенствованию механизмов функционирования ИСПР основывается на сравнении результатов деятельности этих систем при действии различных механизмов и определении наилучшего результата по заданному критерию эффективности. Естественно, что для такого сравнения должны быть разработаны соответствующие критерии и построены процедуры оценки эффективности управления в ИСПР. В ИСПР при разработке и исследовании соответствующих моделей необходимо сформулировать гипотезы о поведении, как отдельных устройств, отдельных личностей, так и целого коллектива людей. После того как гипотеза сформулирована, необходимо ее формализовать, чтобы принять математический аппарат ИСПР. Таким образом, для исследования ИСПР необходимо разработать методы экспериментального исследования ИСПР, позволяющих, во-первых, оценить эффективность управления, в случае, если теоретически этого сделать не удалось, а во-вторых, повысить обоснованность теоретических оценок и выводов путем экспериментальной проверки соответствия принятых гипотез поведению реальных устройств. К наиболее предпочтительному методу экспериментального исследования ИСПР относится метод имитационного моделирования.
Для данного типа систем общих аналитических подходов решения задачи формирования эффективных управляющих воздействий найти не удалось. Как правило, теории описывают формирование управления только для статических двухуровневых систем. Рассмотрим наиболее часто используемые теоретические подходы к определению эффективного управляющего воздействия в ИСПР.
Повторяющиеся игры [81. Основная идея повторяющихся игр заключается в том, что при многократном повторении однопериодной игры (набора каких-либо действий элементов системы) игроков (в нашем случае активных преобразователей с собственными целями) удается добиться того, что выбор элементами системы индивидуально рациональных стратегий приводит к реализации рационального для всей системы исхода. Содержательно, качественное отличие повторяющихся (динамических) игр от "обычных" (статических) заключается в том, что наличие нескольких периодов повышает ответственность игроков за свои действия - если кто-то повел себя не так как следовало, то в следующих периодах он может быть наказан управляющим элементом за это отклонение. Для того, чтобы предотвращать отклонения, в таких моделях вводится система наказаний и поощрения. При этом, наказание за отклонение является достаточно сильным и компенсирует возможный выигрыш элементов системы, который получается в результате отклонения.
Задача управляющих элементов заключается в том, чтобы выбрать такие системы стимулирования, которые побуждали бы подчиненные элементы предпринимать наиболее предпочтительные с точки зрения центров действия.
В повторяющихся иерархических играх управляющий элемент сообщает о своих целевых установках всем нижележащим элементам системы, которые в соответствии с объявленными приоритетами выстраивают свои действия. Однако, управляющий элемент может предоставлять информацию о своих целях как на несколько, так и на один шаг вперед. Субъект управления может как учитывать цели управляющих элементов, так и принимать их только к сведению. В случае если в процессе функционирования субъекта параметры системы ухудшаются (отклонятся от целевых установок или становятся хуже, чем в текущий момент времени), он будет оштрафован.
Однако, все приведенные выше методы в иерархических системах могут быть применены с очень большими допущениями. В связи с чем, наибольший интерес представляет метод поиска решения с помощью разумно-ограниченного перебора вариантов и использованием покоординатного спуска [25].
В соответствии с [81] метод покоординатного спуска для поиска максимума функции п переменных Ф(хь Х2,... хп) выглядит следующим образом. Выберем нулевое приближение xi, х20,..., хп. Зафиксируем все значения координат, кроме первой (х/, Х2=Х2,...,хп0). Тогда функция будет зависеть только от одной переменной Хь обозначим ее через /і(хі)=Ф(хі, Х2,... Хп). Теперь необходимо при помощи произвольного метода одномерной оптимизации определить максимум функции fi(xj). Определив максимум, обозначим его х/. Таким образом, мы совершили шаг из точки (xi, Х2,.-- Xn)в точку (х/, х20,... Хп) по направлению, параллельному оси Х\. На этом шаге значение функции увеличилось.
Затем из новой точки сделаем спуск по направлению, параллельному оси Х2, т.е. рассмотрим f2(x2)=0(x/, Х2,... хп), найдем ее максимум и обозначим через х2\ Второй шаг приводит нас в точку (х/, xi ,... х„). Из этой делаем третий и последующие шаги в оставшихся направлениях. Приход в точку (х/, Х2,... Хп) завершает цикл спусков. При необходимости получения более точного решения необходимо повторить цикл спусков начиная с направлениях].
Структура преобразователя с несколькими выходами
Графический построитель обладает возможностью повторного применения функции, таким образом что каждая функция, однажды созданная и сохраненная в базе данных, может быть использована для построения новых функций, не вникая при этом в тонкости ее реализации, а использовать только возвращаемый результат. Такой подход позволяет свести построение алгоритмов к языку, понятному эксперту. Разработав набор функций для работы эксперта определенной области, можно избавить его от необходимости изучения «низкоуровневых» вычислений и специальных языков программирования, а оперировать вполне конкретными терминами предметной области. При этом пользователю предоставляются все возможности трассировки и тестирования создаваемых функций и процедур.
Построение вычислительных процедур включает в себя трансляцию в специальную форму представления графических блоков, которая в дальнейшем хранится в интегрированной базе данных, а также используется при работе транслятора. Если графический построитель обеспечивает ввод и корректировку вычислительных функций, то интерпретатор обеспечивает непосредственное взаимодействие с пользовательским приложением. Интерпретатор построен в виде самостоятельной динамически скомпонованной библиотеки (DLL).
Интерфейс взаимодействия с интерпретатором построен на основе вызова функции интерпретации. Функция интерпретации производит интерпретацию разработанных экспертом функций и вычисление результирующего ее значения на основе объектов пользовательского приложения. Алгоритм функционирования подсистемы моделирования
Поскольку для проведения экспериментов с моделями сложных ИСПР требуются большие затраты времени, то проблемы выбора алгоритма функционирования подсистемы моделирования весьма существенна. Наиболее простым является последовательный просмотр всеми процессами моментов времени с фиксированным шагом, приравненным некоторому интервалу в реальной системе. Такой подход достаточно общий и позволяет моделировать непрерывные динамические звенья. В этом случае в среде моделирования присутствует системный процесс - системный таймер, который последовательно увеличивает значение внутренней переменной и оповещает все остальные процессы модели о сделанных изменениях. Такой подход использовался при разработке алгоритма функционирования подсистемы моделирования.
Алгоритм функционирования подсистемы моделирования приведен на рисунке 3.4. В момент запуска подсистемы выполняет подготовительный этап -устанавливает значение модельного времени, равное нулю или моменту времени, определенным пользователем. В дальнейшем, циклически выполняет следующую последовательность шагов. 1. Определение текущего момента времени - определяется ближайший момент модельного времени. Среди возможных способов продвижения по времени, наиболее заметны: определение ближайшего момента завершения активности по системному календарю событий и пошаговый способ продвижения по времени. В данной работе используется пошаговый способ продвижения по времени, т.е. tsys=tsys+Atsys (Atsys - дискрет изменения системного времени). Информация об изменении системного времени распространяется по всем элементам системы.
Подсистема моделирования ИСПР
Для качественного принятия решений ЛПР, а также правдоподобного прогноза с помощью подсистемы прогнозирования, система показателей по своему содержанию должна охватывать все сферы жизнедеятельности муниципального образования. Однако, для проведения мониторинга показателей, одних значений показателей недостаточно. Для этого необходимо иметь контрольный значения показателей, позволяющие сравнить и оценить фактические значения показателей. В Администрации города Екатеринбурга контрольные значения основных показателей и индикаторов приведены в Стратегическом плане Екатеринбурга в виде прогнозных значений показателей и индикаторов на 15 лет с разбивкой на пятилетия. В указанном документе, прогнозные показатели даются в двух вариантах: 1) для случая инерционного развития событий (если мероприятия стратегического плана не будут выполнены); 2) значение показателя в случае реализации плана.
Сравнение достигнутых результатов отчетных периодов с прогнозами на пятилетия позволяет оценить правильность выбранных в стратегическом плане направлений деятельности и способов достижения целевых ориентиров. Таким образом, на этом уровне мониторинга отслеживается эффективность конкретных мероприятий, проектов и программ Стратегического плана Екатеринбурга и предоставляется возможность своевременного учета воздействия корректирующих обстоятельств. Разработанная система показателей социально-экономического развития крупного муниципального образования имеет универсальный характер и обладает следующими свойствами: 1) Компактность и информативность. Система показателей содержит ряд ключевых цифр, дающих наиболее полное представление о состоянии объекта. Каждый крупный объект (в данной работе используются базовые отрасли экономики города, в том числе её муниципальный сектор) характеризуется несколькими регулярно отслеживаемыми (оперативными) показателями и индикаторами, так что в распоряжении каждого из заместителей главы города их оказывается не более 15, а главы города - не более 50. 2) Сквозная логика построения. Любой социально-экономический объект (будь то отрасль экономики или территория) характеризуется с нескольких позиций: ресурсная база (ресурсные показатели и индикаторы), объем производства, объем воспроизводства (инвестиций), эффективность производства, качество продукта. 3) Нацеленность на решение задач муниципальной власти. Выбор объектов для оперативного мониторинга подчинен задачам, закрепленным за муниципальным уровнем власти: ЖКХ, дорожное строительство, городской транспорт, дошкольное и начальное образование, здравоохранение, деятельность муниципальных предприятий и учреждений, то есть те сферы, где необходимо принимать конкретные ответственные управленческие решения. Соответствен, большинство индикаторов развития территории должно касаться тех объектов, которыми муниципальная власть непосредственно управляет. Это не значит, что не нужна информация о развитии промышленности, сельского хозяйства и других базовых производственных отраслей. Она необходима, чтобы «быть в курсе происходящего на территории», и обеспечить информационную составляющую для подсистемы прогнозирования. Информационную основу системы составляют информационные объекты следующих типов: 1. Показатель - объект, содержащий множество значений одной характеристики социально-экономического процесса в следующих разрезах: - временном (в качестве кванта времени в предметной области используется интервал времени, равный 1 кварталу); территориальном (районы муниципального образования и информация по крупным городам Российской федерации, Субъекту федерации и Российской федерации в целом); Значения показателя могут быть контрольными, прогнозными или фактическими.
![Разработка методов, моделей и алгоритмов прогнозирования и донозологической диагностики кожных болезней, имеющих представительство на проекционных зонах, с использованием нечеткой логики принятия решений и рефлексодиагностики [Электронный ресурс]](/i/i/4381/168311.png "Разработка методов, моделей и алгоритмов прогнозирования и донозологической диагностики кожных болезней, имеющих представительство на проекционных зонах, с использованием нечеткой логики принятия решений и рефлексодиагностики [Электронный ресурс] Ходеев Денис Владимирович")
