Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов подготовки и принятия решений в автоматизированных информационно- управляющих системах МЧС России 10
1.1. Особенности организации информационной поддержки при принятии решений в чрезвычайных ситуациях 10
1.2. Подготовка и принятие решений в автоматизированных информационно-управляющих системах 21
Глава 2. Выбор методов анализа разработки модульных автоматизированных информационно-управляющих систем 34
2.1. Способы построения и структуризации технологических графов решения задач обработки данных реального времени 37
2.2. Особенности решения диалоговых задач в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем 43
2.3. Анализ процесса проектирования распределенных баз данных в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем 46
2.3.1. Типизация структур данных 48
2.3.2. Построение канонической структуры распределенных баз данных 51
Глава 3. Синтез модульных автоматизированных информационно-управляющих систем 56
3.1. Анализ задач синтеза модульных систем обработки данных реального времени 56
3.2. Выбор критериев синтеза оптимального состава модульной автоматизированной информационно-заправляющей системы 59
3.3. Синтез оптимальной модульной автоматизированной информационно-управляющей системы
3.3.1. Применение сетей Петри при синтезе оптимальных модульных автоматизированных информационно-управляющих систем "5
3.3.2. Синтез оптимальной блок-схемы модульной автоматизированной информационно-управляющей системы табличной организации базы данных "9
3.3.3. Синтез оптимальной структуры программного и информационного обеспечения автоматизированной информационно-управляющей системы реального времени '4
3.3.4. Синтез логической структуры распределенных баз данных 82
3.4. Особенности синтеза диалоговых задач в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем "8
3.5. Типизация разработки автоматизированной информационно- 108 управляющей системы
3.6. Отладка модульных автоматизированных информационно- управляющих систем 119
Заключение 125
Список использованной литературы 127
- Подготовка и принятие решений в автоматизированных информационно-управляющих системах
- Особенности решения диалоговых задач в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем
- Анализ процесса проектирования распределенных баз данных в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем
- Выбор критериев синтеза оптимального состава модульной автоматизированной информационно-заправляющей системы
Введение к работе
Информация, информационный фонд в условиях ЧС становится главным источником принятия решений, направленных на ее ликвидацию, т. е. она становится решающим ресурсом системы. Как правило, в условиях ЧС основной проблемой принятия и реализации эффективных управленческих решений является не недостаток ресурсов и капитала, а информации, необходимой для использования этих ресурсов и капитала с наибольшим успехом.
Информация о возможности возникновения ЧС и тенденциях ее развития поступает в систему управления в ходе изучения внешней среды, прогнозирования и анализа ее состояния.
В системе управления ЧС должна функционировать информационная система, которая должна эффективно взаимодействовать с группами и организациями внутри и вне системы управления ЧС. Такая система, с одной стороны, должна обеспечивать необходимой информацией структурные подразделения системы управления в условиях ЧС, обеспечивать организацию работы штаба и принятие групповых и индивидуальных решений на различных уровнях управления, с другой стороны, информационная система должна представлять собой систему быстрого реагирования, в рамках которой формирование информационной среды должно соответствовать динамике формирования новых предметных областей.
Одно из самых важных направлений информационной работы - оценка, анализ, обобщение всего объема имеющейся информации, касающейся тех или иных событий, объектов и прогнозе развития ЧС.
Информационные системы, функционирующие в условиях ЧС, должны разрабатываться, как системы быстрого реагирования.
Основным назначением информационной системы быстрого развёртывания является обеспечение информированности руководителей работ по ликвидации последствий ЧС.
Такая система должна обеспечивать идентификацию и регистрацию информации о возникшей предметной области, ее хранение, непрерывное ведение и использование путем сбора, агрегирования, классификации, переработки и выдачи необходимой информации в удобной для использования форме и с возможностью передачи по каналам связи всем абонентам системы.
Необходимо отметить, что несмотря на большое число разработанных и разрабатываемых систем управления, функционирующих в условиях ЧС, в настоящее время недостаточно разработаны теоретические основы, методология и конкретные методики построения организационных структур, моделей, и методов планирования и оперативного управления силами и средствами в условиях ЧС, методы информационной поддержки принятия эффективных решений. На частичное решение этих проблем и направлена данная работа.
Интенсификация промышленного производства и рост потребностей в комплексной автоматизации функционирования организаций, предприятий и фирм обусловливает резкое возрастание объемов работ в системе МЧС России по созданию и внедрению автоматизированных информационно-управляющих систем (АИУС), к качеству и эффективности которых предъявляются все более высокие требования. Поэтому необходима высокоэффективная технология проектирования, позволяющая создавать системы различной сложности, уровня и назначения в сжатые сроки при минимальных затратах труда [1,2].
Принцип модульного построения систем общеизвестен и широко используется в самых различных областях, в том числе при разработке систем управления. Разработка формализованных моделей и методов оптимального синтеза программного и информационного обеспечения модульных систем обработки данных в АИУС, автоматизация технического проектирования оптимальных по заданным критериям систем обработки данных значительно повышает эффективность и качество создаваемых систем, сокращает сроки разработки и внедрения систем в эксплуатацию на 30-50% по сравнению с традиционным индивидуальным проектированием.
Создание типовых модульных АИУС определяет качественно новый этап в проектировании сложных систем. Сложность разработки типовых модульных систем обработки данных обусловливается необходимостью выбора рационального уровня типизации, многопараметрического анализа объектов автоматизации, синтеза систем типовых программных модулей по заданным критериям эффективности, адекватно отражающим организационные и экономические условия разработки АИУС.
При использовании современных технологий и методов разработки типовых модульных АИУС и автоматизации этой разработки процесс проектирования, по сути дела, заменяется процессом клонирования, т.е. созданием "генетически" подобной системы. При этом создаются функционально и структурно подобные АИУС некоторого класса, соответствующие заданной предметной области и адаптированные на конкретный объект управления.
Общее время и затраты на разработку с использованием методов и средств анализа и синтеза модульных и типовых модульных АИУС сокращаются в 10-100 раз в зависимости от особенностей создаваемых систем.
Проблемы анализа и синтеза модульных и типовых модульных систем весьма многообразны, в полном объеме не решены и в настоящее время интенсивно разрабатываются многими исследователями.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методов построения АИУС поддержки принятия управленческого решения при чрезвычайных ситуациях.
Объект исследования - процесс обработки информации для принятия управленческого решения при чрезвычайных ситуациях.
Предмет исследования — организация процесса обработки информации для принятия управленческого решения при чрезвычайных ситуациях.
Научная задача, решаемая в диссертационной работе заключается в анализе существующих автоматизированных информационно-управляющих систем, выявление особенностей организации информационной поддержки при принятии управленческих решений при чрезвычайных ситуациях, разработке моделей организации баз данных, моделей оптимальных структур программного и информационного обеспечения, методов планирования и организации отладки программного обеспечения систем обработки данных.
Научная новизна. В диссертации проанализированы особенности процесса принятия решения и впервые разработаны формализованные модели построения автоматизированных информационно-управляющих систем МЧС России.
Методы исследования. Для решения указанной научной задачи использовались методы исследования, основанные на общей теории систем, теорий системного анализа и синтеза сложных систем, теорий принятия решения, массового обслуживания, графов, применялись методы математического моделирования и теории множеств.
Результаты исследования. Основными результатами диссертационной работы, выносимыми на защиту, являются:
1. Формализованная модель синтеза оптимальной блок-схемы модульной автоматизированной информационно-управляющей системы для табличной организации базы данных
2. Формализованная модель синтеза оптимальной структуры программного и информационного обеспечения автоматизированной информационно-управляющей системы по критерию максимальной производительности системы.
3. Формализованная модель синтеза модульной диалоговой системы, обеспечивающей минимальное общее время обмена с внешней памятью при обработке множества запросов пользователей.
4. Метод планирования и организации отладки программного обеспечения систем обработки данных по функциональным показателям.
Научно-практическая значимость полученных результатов определяется их важностью для построения АИУС принятия эффективного управленческого решения в МЧС России на основе предложенных формализованных моделей.
Разработанные формализованные модели синтеза автоматизированной информационно-управляющей системы при чрезвычайных ситуациях на основе выбранных в процессе диссертационного исследования показателей и критерия оценки мероприятий по принятию управленческого решения при чрезвычайных ситуациях, а также проведенная в работе оценка параметров моделей и проверка гипотез позволяют сделать вывод, что эти математические модели имеют научно-прикладное значение и в других областях научных исследований управленческой деятельности.
Качественно отличное и практически важное значение, по сравнению с известными работами, имеет предложенный в диссертации метод планирования и организации отладки программного обеспечения систем обработки данных по функциональным показателям. Он позволяет повысить оперативность и точность принятия оптимальных управленческих решений при чрезвычайных ситуациях. Применение этого метода существенно сокращает сроки выполнения боевых задач при чрезвычайных ситуациях.
Кроме того, научные результаты нашли практическое применение и реализованы в Северо-Западном региональном центре МЧС России, в Главном управлении по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям Ленинградской области, в Санкт-Петербургском институте
Государственной противопожарной службы МЧС России и в Управлении ГПС МЧС России г. Санкт-Петербурга.
Апробация результатов исследования. Основные положения исследования, докладывались и обсуждались в период с 2000 по 2004 год на заседаниях кафедры управления и экономики Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России, а также на следующих научно-практических конференциях:
1) межвузовском научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в управлении подразделениями Государственной противопожарной службы МЧС России», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 29 апреля 2003 г.
2) международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 14-15 октября 2003 г.
3) международной научно-практической конференции «Международный опыт подготовки специалистов пожарно-спасательного профиля», Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 20-21 января 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы.
Подготовка и принятие решений в автоматизированных информационно-управляющих системах
Деятельность АИУС МЧС России направлена на оптимизацию процесса управления с целью достижения максимально эффективного выполнения задач, стоящих перед МЧС России. Завершающим этапом работы системы «человек-машина» является не получение информации, а принятие на ее основе управляющих воздействий (УВ). Но прежде, чем выработать УВ, необходимо осуществить процесс подготовки решения. Исходя из этого, целесообразно рассматривать этот процесс как функцию со многими составляющими, тесно взаимосвязанными между собой и имеющими главную цель — принятие своевременного и оптимального решения. Рассмотрим составляющие названной нами функции в порядке их использования.
Одной из главных задач является выявление проблемы в предметной области и осуществление формализованного описания объекта исследования.
По получении выходной информации от какой-либо подсистемы ОАС в той или иной форме целесообразно ее сопоставить документально с информацией других подсистем, используя банк данных системы, а также и другим путем с целью определения причины и источников возникновения проблемы.
Далее, при необходимости, получить информацию, которая давала бы представление о взаимосвязи возникшей проблемы с различными процессами или операциями, прямо или косвенно влияющими на состояние проблемы; особое внимание, очевидно, следует обратить на причинно-следственные зависимости, что позволит сделать предварительные заключения и выводы. Имея эти материалы необходимо сформулировать суть проблемы. Описанию проблемы (письменно, устно, графически и т.д.), ее точной характеристике служит уточнение следующих моментов: - какие объективные или субъективные факторы вызвали данную проблему; - степень важности и значимости проблемы; - последствия решения проблемы; - каков характер решений и управляющих воздействий (УВ), которые, на первый взгляд, необходимо принять; - имеются ли нужные средства, математический, логический или другой аппарат, необходимые для того, чтобы найти решение проблемы и осуществить УВ; - кто должен принять участие в решении проблемы; - нужна ли дополнительная информация для принятия правильного решения. Начиная разрабатывать варианты решений, нужно учитывать, что АИУС использует в работе принцип «допущений», то есть ограничений. А значит, ее информация построена по этому принципу. Поэтому ЛПР также необходимо сформулировать допущения, стремясь рассмотреть как можно большее число вариантов, конструктивных предложений, в том числе и неперспективных. Рассматриваемые варианты должны отвечать допущениям, которые являются основой выбора вариантов. Из многих способов установления допущений предположительно наиболее эффективны: а) определение минимального и максимального количества целей, которые должны быть достигнуты; б) исключение нежелательных последствий; в) установление сроков реализации вариантов решения; г) формулирование особо обязательных пунктов решения, которые должны быть выполнены. Определим правила, которые надлежит выполнять ЛПР при введении допущений. По всей видимости, их можно сформулировать так: - не вводить слишком много допущений, чтобы неправомерно не уменьшить число вариантов решений; - иметь допущения, исключающие нереальные варианты решений; - исключать допущения, вызывающие сомнения. Но в любом подходе к допущениям следует их выбирать так, чтобы они способствовали дополнению каждого варианта решений всеми "за" и "против". Прогнозирование последствий принимаемых решений по степени сложности зависит от видов проблемных ситуаций. Применительно к АИУС, по всей видимости, возможно обозначить три вида проблемных ситуаций: детерминированные, стохастические и стратегические.
Особенности решения диалоговых задач в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем
Рост числа решаемых в диалоге задач в составе модульных АИУС, их сложности, повышение требований к своевременности, достоверности и полноте представляемой информации обусловливает необходимость дальнейшего усовершенствования методики проектирования АНУС, которая должна учитывать не только особенности "человеческого фактора", но и требование по обеспечению максимальной эффективности использования технического, программного и информационного обеспечения диалоговых систем (ДС) и их типизации.
На стадии предпроектного анализа ДС необходимо выполнить комплекс работ, основной из которых также является анализ решаемых пользователями задач, технологии их решения, определения требований пользователей к эффективности и качеству решения задач. На этой стадии определяется необходимый набор процедур реализации комплекса диалоговых задач и требуемой для их решения информации.
Для представления результатов изучения и анализа задач пользователей и технологии их решения используются модификации описанных выше формализованных методов представления результатов этого изучения.
Определение процедур обработки данных, анализ и структуризацию каждой диалоговой задачи целесообразно осуществлять с использованием дополнительной совокупности матричных и графовых моделей, обеспечивающих подготовку локальных сценариев (ЛС) диалога и других исходных данных, необходимых для технического проектирования оптимальных ДС [44,45].
Локальные сценарии диалога строятся на основе описанных пользователями (средствами языка описания задач - ЯОЗ) схем их решения, которые дополняются формами представления результатов проектирования систем. Схема решения каждой задачи представляется в виде совокупности взаимосвязанных таблиц решений (ТР), описывающих последовательность и содержание шагов диалога пользователя с ДС при решении задачи, используемую при этом информацию, а также требования пользователя к характеристикам процесса обработки запросов, выдаваемых на каждом шаге диалога. Совокупность таблиц решений однозначным образом отображается в граф локального сценария диалога (ГЛС). Каждая вершина ГЛС соответствует одной ТР, а направленные дуги - взаимосвязям между таблицами. Каждому ГЛС ставятся в соответствие матрица смежности и матрица достижимости, отражающие структуру и взаимосвязь узлов графа.
При помощи матриц для облегчения последующего анализа локальных сценариев диалога производится упорядочение ГЛС, в ходе которого узлы графа распределяются по уровням их прохождения в процесс решения задачи. При наличии контуров на уровнях ГЛС осуществляется их свертка, что приводит к сокращению размерности и упрощению матриц смежности и достижимости графа. На основе упорядоченного таким образом ГЛС с помощью языка ГЕРТ - сетей могут быть определены такие характеристики ГЛС диалога, как условная вероятность завершения решения задачи в заданном узле ГЛС; математическое ожидание и дисперсия значения времени завершения решения задачи в заданном узле графа, обладающей свойством аддитивности на дугах графа.
С учетом результатов анализа требований пользователей и локальных сценариев диалога формируется сценарий диалога всей системы в целом. С этой целью строится интегрированный граф сценария ДС в целом путем операции «наложения» упорядоченных ГЛС, заключающейся в совмещении идентичных уровней графов и идентичных узлов на каждом уровне. Для формализации, упорядочения и анализа сценария диалога всей системы также используется совокупность взаимосвязанных матричных и графовых моделей и методы оценки ГЕРТ - сетей.
На этой стадии производится проверка корректности описания схем решения задач и соответствия характеристик функционирования ДС построенному сценарию системы и требованиям пользователей к эффективности и качеству решения задач. Выявление неточностей и противоречий в описании схем решения задач и в заданных требованиях к эффективности и качеству их решения на стадии предпроектного анализа ДС до реализации этапов проектирования, отладки и внедрения системы позволяет свести к минимуму затраты на исправления ошибок, тестирование и, следовательно, сократить общие затраты на реализацию ДС.
Анализ процесса проектирования распределенных баз данных в составе модульных автоматизированных информационно-управляющих систем
Качественные изменения в структуре современных модульных АИУС связаны с широким внедрением мини-, микро- и персональных ЭВМ, сетей ЭВМ, систем управления локальными и распределенными базами данных, а также новейших систем передачи данных.
Процедура формального анализа предметной области пользователей банков данных также основана на использовании совокупности графовых и матричных моделей, обеспечивающих структуризацию предметной области пользователей, выявление дублирующих информационных элементов и избыточных взаимосвязей, формирование графов информационных структур, выделение ключей и атрибутов, и направлена на построение рациональных канонических структур баз данных.
Анализ в процессе проектирования распределенных баз данных (РБД) в модульных автоматизированных информационно-управляющих системах включает четыре взаимосвязанных этапа: - предпроектный анализ информационных множеств предметных областей пользователей; - анализ предметных областей пользователей и построение внешних моделей; - построение обобщенной внешней модели; - построение канонической структуры РБД. Результатом анализа предметных областей пользователей является построение канонической структуры РБД которая отражает наиболее существенные характеристики и устойчивые свойства данных и отношений между ними и является инвариантной по отношению к аппаратным и программным средствам ее реализации [37,38,40]. В результате анализа определяется также целесообразность применения методов типизации, обеспечивается формирование обобщенной внешней модели (ОВМ), проектирование канонической структуры РБД и выделение на ней множества типовых и специфических сегментов данных. Выделенные сегменты данных и их характеристики используются при синтезе логической структуры РБД, логических и физических структур локальных БД.
Целесообразность применения методов типизации при проектировании РБД определяется уровнем информационной и процедурной общности внешних моделей предметных областей пользователей. 23.1. Типизация структур данных Комплекс процедур, позволяющих определить целесообразность типизации структур данных при проектировании РБД, заключается в следующем. Пусть U = {uk}, k= l,K0 - множество пользователей проектируемой базы данных, которые распределены по географически удаленным узлам вычислительной сети; 1 = {d }, I = l,/t - множество информационных элементов, описывающих предметную область к-го пользователя. » Множество D = \jDk = {dj}, j = l,J0 является полным множеством информационных элементов рассматриваемой совокупности пользователей. Отношение каждого пользователя к полному множеству информационных элементов D представляется в виде строки бинарной матрицы, проиндексированной по осям множеством пользователей U = (} и полным множеством информационных элементов D = {dj}. Элементы матрицы N = nkj[ принимают единичные значения, если информационный элемент dj относится к информационному множеству пользователя и , в противном случае nkj = 0.
Степень общности предметных областей k-го и т-го пользователей определяется методом последовательного получения и анализа попарных пересечений их информационных множеств. Количественная характеристика степени общности (мощности пересечения) предметных областей k-го и т-го пользователей определяется с использованием понятия меры подобия, применяемого в теории автоматической классификации.
Выбор критериев синтеза оптимального состава модульной автоматизированной информационно-заправляющей системы
Синтез модульных АИУС на этапе технического проектирования включает оптимальный выбор состава модулей программного обеспечения и информационных массивов, содержания межмодульного интерфейса, структуры системы обработки данных в целом, формализуемой в виде функциональной блок-схемы, с учетом заданных технико-экономических характеристик функционирования разрабатываемой системы.
Для оптимизации процесса проектирования системы используется критерий минимума сложности межмодульного интерфейса. Оптимизация эксплуатационных характеристик может быть осуществлена в зависимости от конкретных обстоятельств по одному из следующих критериев: минимум времени обмена между оперативной и внешней памятью, минимум обмена неиспользованных данных при пересылках между оперативной и внешней памятью, снижение технологической сложности алгоритмов обработки данных, что является обобщением показателя "транспортного фактора" при реализации алгоритмов решения функциональных задач, предложенного Лангефорсом. Кроме того, для информационных систем существенным является максимум информационной производительности и обеспечение достоверности обработки данных [15-22,31,32,51-61].
При оптимизации разрабатываемой модульной АИУС по критерию максимизации достоверности для отображения и формализации логического взаимодействия событий ошибки различных элементов СОД, приводящих к появлению недостоверной информации в процессе обработки, используется понятие графа ошибок.
Наиболее общей задачей синтеза оптимальных модульных СОД с использованием этого критерия является следующая: для заданного множества процедур обработки данных, множества наборов информационных элементов и характеристик их взаимодействия необходимо синтезировать оптимальную АИУС и выбрать совокупность методов контроля, обеспечивающих минимальную вероятность главного события ошибки при выполнении ряда технологических ограничений. 33. Синтез оптимальной модульной автоматизированной информационно-управляющей системы
Следует отметить широкое использование аппарата сетей Петри при синтезе оптимальных модульных АИУС для учета и описания характерных особенностей современных ЭВМ и информационных технологий. Сети Петри используются в качестве формальных моделей взаимодействия потоков информации в сложных системах с конкурирующими событиями и параллельной обработки в задачах синтеза модульных АИУС [46,48, 50].
Модифицированные сети Петри разработаны как адекватный аппарат комплексного моделирования современных информационных технологий и направлены на повышение описательных возможностей аппарата моделирования.
В качестве основных модификаций сетей Петри выбраны сети Петри с разноцветными маркерами, вероятностные сети Петри, временные сети Петри и обобщенные сети.
При исследовании сетей Петри с разноцветными маркерами выделены подклассы перерождающих и селективных сетей. Предложены методы их исследования, определения функций распределения цветов маркеров, доказаны необходимые и достаточные условия их ограниченности, сохраняемости и живости. С использованием понятия цветовой достижимости исследована возможность получения маркеров какого-нибудь конкретного цвета или всех цветов из некоторого подмножества в процессе функционирования сети.
При исследовании вероятностных сетей Петри выделены сети с переменной и детерминированной структурой. Основное внимание уделено исследованию сетей с детерминированной структурой и заданным начальным состоянием, для которых выделены подклассы синхронных и асинхронных сетей и предложены методы аналитического вычисления их вероятностных характеристик.
При исследовании временных сетей Петри введены понятие их эквивалентности, понятия резервов времени различного типа, критических переходов, критических множеств и критических путей.
Обобщенные сети Петри включают все введенные модификации сетей. При исследовании обобщенных сетей Петри выделено тридцать два подкласса сетей, введено понятие проекции сетей различных классов.
Предложенные модификации сетей Петри практически полностью обеспечивают возможность учета особенностей работы современных ЭВМ, новых технологий обработки данных, процессов возникновения и распространения ошибок и обеспечения требуемого уровня достоверности в системах обработки данных.
Разработана методика моделирования и анализа модульных систем обработки данных с использованием обобщенных сетей Петри, позволяющая с заданной степенью адекватности исследовать процессы функционирования АНУС, с учетом требований к достоверности обработки данных.
Методика структуризации АИУС на языке обобщенных сетей Петри позволяет не только упорядочить структуру обработки данных, но и выделить магистральные пути обработки, оценить возможность реализации заданного множества запросов пользователей, оценить последствия возникновения ошибок, выявить тупиковые ситуации, определить временные характеристики обработки и соответствующие временные резервы.
