Введение к работе
Актуальность темы исследования. Эффективность управления современными техническими системами в значительной мере зависит от их способности амортизировать возникающие в процессе работы нарушения. Быстрое и достоверное обнаружение неисправностей, устранение их последствий в максимально короткие сроки и с наименьшими затратами оптимизируют работоспособность технических объектов.
Для современного состояния общей теории восстановления характерно
использование для амортизации неисправностей двух основных типов
избыточностей технических систем: структурной (аппаратурной) и
временной. В первом случае для устранения последствий возникших:
нарушений в состав (структуру) технического объекта вводятся
дополнительные резервные модули. При выходе из строя основной части схемы на существующий структурный резерв возлагается задача реализации заданного исправного поведения. Во втором – имеющийся в данный конкретный момент или искусственно создаваемый резерв времени (временная избыточность) используется либо для организации «повторного счета», либо для повторного запуска, логической операции, измененной в результате неисправности и т. д.
Выход из строя (или отсутствие в силу сложностных, ценностных и
прочих ограничений) аппаратурного резервирования порождает вопрос:
«Можно ли использовать свойства текущего (в условиях существования
неисправностей) закона функционирования технической системы для
формирования на её выходах требуемой совокупности правильных
исправных реакций?» Ответ на него предполагает изучение имевшейся в
данный момент времени функциональной избыточности технической
системы, а также возможных вариантов её целенаправленного создания на
этапе проектирования. Восстановление поведения технических объектов,
осуществляемое на указанных принципах, впервые было введено
А.А. Сытником и названо функциональным. Затем функциональное
восстановление дискретных систем с памятью достаточно подробно
исследовалось его учениками Т.Э. Шульгой, Н.С. Вагариной,
О.В. Мещеряковой, Н.И. Посохиной, К.П. Вахлаевой, С.Ю. Дронкиным, А.Н. Кунявской и др.
Функциональное восстановление дополняет перечисленные выше традиционные концепции восстановления. Решение задач функционального восстановления позволяет обоснованно ответить на вопрос о возможности дальнейшего управления и эксплуатации технических систем после возникновения и обнаружения неисправностей в условиях, когда невозможно (нецелесообразно) немедленно провести ремонт дефекта или отсутствует (вышло из строя) аппаратурное резервирование.
Модель конечного детерминированного автомата является, несмотря на ряд определенных недостатков, наиболее используемой при формальном описании поведения такого класса технических объектов как дискретные
системы с памятью. Конечные автоматы и все возможные их приложения
подробно рассматривались большим количеством авторов. К их числу
следует отнести работы Э. Мура, А. Гилла, В.М. Глушкова А.М. Богомолова,
П.П. Пархоменко, В.А. Твердохлебова, М.Ф. Каравая, Э.В. Евреинова,
И.В. Прангишвили, В.И. Варшавского, Я.М. Барздиня, В.Б. Кудрявцева и др.
А.А. Сытником было показано, что проблема функционального
восстановления для произвольного класса технических объектов
алгоритмически неразрешима, то есть не существует единого универсального
метода построения восстанавливающих последовательностей для
произвольной дискретной системы с памятью.
Поэтому одной из актуальных задач является рассмотрение и выделение
разрешимых классов и типов технических объектов или, в терминологии
конечных автоматов как формальных моделей технических систем,
определение конкретных принципов и видов поведений, для которых
возможно разработать метод синтеза восстанавливающих
последовательностей.
Конечные детерминированные автоматы составляют один из важнейших классов математических моделей динамических систем с конечным множеством состояний. Практическое и теоретическое значение автоматных моделей в решении задач проектирования и технического диагностирования, познания процессов формирования и передачи сигналов в биологических системах и т.д. стало причиной интенсивных исследований в области теории автоматов.
Разнообразие возникших задач привело к выделению классов автоматов (автоматы типов Мили и Мура, автоматы Медведева), а также к разработке различных математических способов их задания (табличное задание, графы автоматов, автоматные матрицы, логические уравнения и т.д.).
Потребность в использовании автоматных моделей для реальных объектов с большим числом состояний привела к развитию теории структурных автоматов, в которой абстрактная форма автомата заменялась структурной формой, то есть композицией преобразователей сигналов и элементов памяти.
Структурная форма задания конечных автоматов принципиально повысила эффективность приложений теории автоматов и представила новые возможности для теоретических исследований. В частности, в диссертации декомпозиция автомата на комбинационную часть и память используется с целью применения развитого математического аппарата алгебры логики.
В качестве средства разделения множества состояний автомата на
подмножества используется приложение периодических
последовательностей входных сигналов. Как показано А.М. Богомоловым и В.А. Твердохлебовым, в этом случае возникает циклическое изменение состояний. Такой подход позволяет состояния, не вошедшие в циклы, исключить из анализа.
Выбор периодов в периодических последовательностях входных сигналов оказался связанным с рядом не решенных в теории вопросов,
которые и стали предметом исследования. Кроме этого, потребовалось разработать критерии эффективного изменения состояний в циклах, методы построения и реализации соответствующих экспериментов с автоматами, формальный аппарат постановки задач и представления результатов.
В литературе существуют отдельные результаты без существенного теоретического обобщения. В диссертации эти результаты формально обобщены и предложены принципы функционирования автоматов в режиме циклического изменения состояний.
В диссертационной работе рассматриваются два подхода к выделению такого рода классов поведений дискретных систем с памятью, точнее, два взаимоследующих и взаимодополняющих подхода. Вначале исследуется структурная форма представления конечно-автоматных моделей и выделяются их типы в зависимости от классов булевских функций, описывающих их переходы-выходы. Затем используется результат В.А. Твердохлебова о виде графов функции переходов-выходов с точки зрения периодических последовательностей. Последние в рамках теории экспериментов с автоматами подробно изучались А.Н. Кунявской. Принципиальное отличие предлагаемого подхода заключается в применении идеи В.А. Твердохлебова о «периодичности» к анализу и синтезу восстанавливающих последовательностей для обеспечения повышения управляемости и отказоустойчивости дискретных систем с памятью. Разработка и реализация данного подхода и составляет круг исследований, представленных в настоящей диссертации, об актуальности которых говорят сделанные выше замечания.
Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической задачи, заключающейся в разработке формальных моделей и методов управления, обеспечивающих функциональное восстановление поведения сложных технических систем дискретного типа с памятью.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Определить условия, позволяющие выделить класс технических объектов с памятью, для которых существует решение задачи функционального восстановления поведения в случае возникновения неисправности.
-
Разработать метод функционального восстановления поведения технических объектов с памятью выделенного класса.
-
Определить критерии (достаточные и/или необходимые условия), которым должны удовлетворять технические объекты, чтобы существовало решение задачи функционального восстановления их поведения с помощью периодической восстанавливающей последовательности входных сигналов.
Объектом исследования в данной работе являются технические системы дискретного типа.
Предметом исследования в настоящей работе являются методы и модели функционального восстановления поведения технических объектов с памятью.
Теоретическую и методологическую основу исследования
составляют аналитические методы теории графов, теории множеств, системного анализа и теории автоматов, методы технической диагностики.
При проведении моделирования и вычислительных экспериментов на ЭВМ использовались современные аппаратные и программные средства. Программный комплекс и алгоритмы реализованы на языке Делфи.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций подтверждается использованием утверждений, строго
доказанных формальными методами. Справедливость выводов относительно
адекватности используемых методов и моделей подтверждается
многочисленными примерами и приведенной программной реализацией.
Научная новизна результатов диссертационного исследования
заключается в следующем:
-
Предложен, обоснован и исследован метод выделения разрешимых фрагментов функционального восстановления поведения технических объектов дискретного типа с памятью на основе анализа их структурного представления в виде замечательных классов булевых функций. Такой подход, по сравнению с существующими принципиально расширяет возможности получения аналитических решений задачи функционального восстановления технических объектов.
-
Предложен и разработан подход к восстановлению поведения дискретных систем с памятью, основанный на использовании восстанавливающих периодических последовательностей текущего неисправного закона функционирования. Такой подход по сравнению с существующими позволяет решать задачу восстановления правильного функционирования технических объектов в условиях, когда традиционные методы восстановления (аппаратурное резервирование, ремонт и т. д.) либо недееспособны, либо в принципе не могут быть реализованы в данный момент времени.
-
Впервые определены критерии (достаточные условия), устанавливающие существование решения задачи функционального восстановления для заданной пары: «исправное поведение, класс потенциальных текущих поведений (класс неисправностей)» на основе восстанавливающих периодических последовательностей.
-
Показана возможность применения автоматного представления нейронных сетей при решении задачи функционального восстановления поведения технических объектов дискретного типа для класса маршрутизирующих сетевых структур.
-
Предложен новый метод к построению логических элементов маршрутизирующих сетевых устройств, основанный на использовании автоматного представления нейронных сетей, который позволяет существенно уменьшить необходимый объем памяти для хранения структуры сети и время, необходимое на выработку решения о дальнейшей пересылке пакета (более 60% при решении возможности функционального восстановления поведения заданной системы).
Положения и результаты, выносимые на защиту:
-
Разработанный подход выделения класса технических объектов с памятью на основе исследования их структурного представления и принадлежности классам булевских функций, позволяющий в условиях существования неисправности решить задачу функционального восстановления.
-
Разработанный и обоснованный метод построения восстанавливающих периодических, позволяющий в условиях существования неисправностей сформировать на выходах заданную совокупность правильных исправных реакций.
-
Полученный и обоснованный ряд критериев, позволяющих установить возможность функционального восстановления конкретного исправного поведения относительно заданного класса неисправностей с использованием восстанавливающих периодических последовательностей.
-
Для информационно-коммуникационных систем показанная возможность функционального восстановления при автоматном представлении их поведения нейронными сетями.
Научная и практическая значимость диссертационного исследования заключается в разработке методов функционального восстановления поведения для некоторых классов технических систем дискретного типа с памятью. Практическая значимость работы состоит в использовании предложенных методов повышения отказоустойчивости технических объектов дискретного типа с памятью, в частности для информационно-коммуникационных систем и различных сетевых структур.
Личный вклад автора. Все основные результаты, выводы и положения, выносимые на защиту, получены автором лично. В совместных работах автору принадлежит ведущая роль в разработке общей концепции работы, ее структуры, методологии обеспечения функционального восстановления технических систем дискретного типа, создании математических моделей, методов и реализующих их программных комплексов.
Реализация и внедрение результатов исследования. Проведенные в
работе исследования выполнены в соответствии с планом госбюджетных
научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре «Информационно-
коммуникационные системы и программная инженерия» СГТУ имени
Гагарина Ю.А. в рамках научного направления кафедры «Разработка
теоретических основ, методологий синтеза и анализа вычислительных,
информационных и человеко-машинных систем» и в рамках базовой части
государственного задания Минобрнауки России «Разработка методов
дискретного анализа семантики слабоструктурированных систем»
(№ госрегистрации 01201253990).
Результаты работы также использовались в учебном процессе при чтении лекций по курсу «Сети и телекоммуникации» студентам направления 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и направления 09.03.04 «Программная инженерия».
Апробация результатов исследования. Диссертационная работа
многократно обсуждалась на научных семинарах кафедры «Информационно-
коммуникационных системы и программная инженерия» Саратовского
государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в 2014-
2018 годах, на международных научных конференциях: ХХ юбилейной
Всероссийской научной конференции «Инжиниринг предприятий и
управление знаниями» (ИП&УЗ-2017); Международной научно-
практической конференции «Информационно-коммуникационные
технологии в образовании, производстве и научных исследованиях» ICIT (Саратов 2017, 2018); Международной научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии (ПИТ)» (Самара, 2017, 2018).
Соответствие темы диссертации требованиям паспорта
специальностей научных работников
Диссертационная работа соответствует п. 2, 10, 11, 13 паспорта специальности 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации» и заключается в следующем:
1) Формализация и постановка задач системного анализа, оптимизации,
управления, принятия решений и обработки информации.
-
Методы и алгоритмы интеллектуальной поддержки при принятии управленческих решений в технических системах.
-
Методы и алгоритмы прогнозирования и оценки эффективности, качества и надежности сложных систем.
4) Методы получения, анализа и обработки экспертной информации.
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано
12 печатных работ, из которых 4 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 84 наименования. Работа изложена на 152 страницах, включая 2 приложения, содержит 32 рисунка.