Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Проблема проектирования автоматизированных систем сопровождения и контроля работ со структурной адаптацией 12
1.1 Цели и задачи автоматизированного сопровождения и контроля работ 12
1.2 Классификация и аналитический обзор автоматизированных систем сопровождения и контроля работ 18
1.3 Анализ методов и средств проектирования автоматизированных систем сопровождения и контроля работ 24
1.4 Исследование топологии автоматизированных систем сопровождения и контроля работ 31
1.5 Основные подходы к адаптации автоматизированных систем 38
1.6 Постановка проблемы диссертационных исследований 46
Выводы по главе 1 48
Глава 2 Проектирование автоматизированных систем сопровождения и контроля работ со структурной адаптацией 49
2.1 Формализация процессов проектирования АССКР со структурной адаптацией 49
2.2 Методика проектирования АССКР по временному критерию 55
2.3 Оценка эффективности методики проектирования АССКР со структурной адаптацией 65
Выводы по главе 2 68
Глава 3 Моделирование информационных потоков автоматизированной системы сопровождения и контроля работ со структурной адаптацией 69
3.1 Анализ функционирования АССКР со структурной адаптацией 69
3.2 Особенности моделирования информационных потоков 74
3.3 Разработка математической модели процесса обслуживания в многоканальных узлах АССКР 85
3.4 Математическая модель состояний автоматизированной системы сопровождения и контроля работ 89
Выводы по главе 3 98
Глава 4 Имитационное моделирование и оценка эффективности предложенных подходов 100
4.1 Разработка архитектуры АССКР со структурной адаптацией 100
4.2 Имитационное моделирование интенсивности информационных потоков и загрузки компонентов АССКР 103
4.3 Имитационное моделирование процесса обслуживания в многоканальных АССКР 120
Выводы по главе 4 132
Заключение 133
Список использованных источников 135
Приложение А Акт внедрения результатов диссертационной работы 145
Приложение Б Фрагменты программного кода моделирования процесса проектирования АССКР со структурной адаптацией
- Цели и задачи автоматизированного сопровождения и контроля работ
- Формализация процессов проектирования АССКР со структурной адаптацией
- Анализ функционирования АССКР со структурной адаптацией
- Разработка архитектуры АССКР со структурной адаптацией
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Научно-технический прогресс привел к значительному расширению спектра задач, решаемых с помощью вычислительных машин и информационных технологий. В настоящее время одной из основных задач, обеспечивающих эффективное функционирование предприятий приборостроения и других отраслей промышленности, является рациональное использование ресурсов предприятий на всех этапах жизненного цикла производимой продукции. Все вышесказанное делает необходимым разработку автоматизированных систем сопровождения и контроля работ (АССКР). Изменяющиеся в процессе эксплуатации условия функционирования АССКР требуют модификации самих систем, что фактически означает необходимость повторного прохождения почти всего цикла профессиональной разработки.
Необходимость введения адаптации отмечают и разработчики АССКР компаний ЗАО «ВЕГА ПЛЮС», ЗАО «АйСиТи Автоматизация», Холдинга «Информтест», ЗАО РТСофт, КСК-Автоматизация, ГосНИИСИ, поскольку им приходится создавать систему при значительной априорной неопределенности об условиях ее функционирования. При этом усреднение поведения среды позволяет спроектировать систему, оптимально работающую только при среднем состоянии среды. Всякое же отклонение среды от среднего приводит к неоптимальности функционирования системы.
Именно поэтому так важно вводить в систему адаптирующие подсистемы, с тем чтобы поддерживать ее эффективность в оптимальном состоянии независимо от состояния среды. С учетом особенностей сложных систем, адаптацию в широком смысле можно определить как процесс целенаправленного изменения параметров и структуры системы, который состоит в определении критериев ее функционирования и выполнении этих критериев.
Все вышесказанное делает необходимым разработку АССКР со структурной адаптацией, поскольку структурные вариации при адаптации АССКР обладают значительно большим эффектом, чем параметрические. Введение структурной адаптации в АССКР на этапе ее проектирования ставит перед разработчиками ряд сложных научно-практических задач, в том числе задачу эффективной загрузки компонентов системы и снижение времени проектирования системы. Результаты исследований, направленных на разработку теоретических
основ, методов и средств адаптации изложены в работах отечественных и зарубежных ученых: Н.А. Бернштейн, Г.С. Альтшуллер, Л.А. Растригин, Д.П. Деревицкий, А.Л. Фрадков, В.Г. Срагович, В.Н. Фомин, В.А. Якубович и др., однако в настоящее время перечисленные проблемы до сих пор остаются открытыми. Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на создание моделей и методик повышения эффективности процессов проектирования автоматизированных систем сопровождения и контроля работ со структурной адаптацией.
Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются автоматизированные системы сопровождения и контроля работ для производственных и технологических процессов. Предметом исследования и разработки являются модели и методики, позволяющие повысить эффективность процессов проектирования таких систем за счет структурной адаптации.
Проблемная ситуация, сложившаяся в области объекта исследований. Внесение изменений в АССКР на этапе эксплуатации затруднено необходимостью оценки информации об условиях ее функционирования и принятия решений о структурных изменениях АССКР. Проблема состоит в разработке моделей и методик, позволяющих повысить эффективность модификации структуры АССКР на этапе эксплуатации в зависимости от текущих параметров загрузки ее компонентов.
Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка моделей и методик, позволяющих повысить эффективность работ по проектированию и модификации АССКР за счет использования структурной адаптации. Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
формализация процессов проектирования АССКР со структурной
адаптацией;
разработка методики проектирования АССКР по временному
критерию и оценка ее эффективности;
создание математической модели процесса обслуживания в
многоканальных АССКР;
разработка математической модели состояний АССКР при
различной производительности ее узлов;
разработка архитектуры АССКР со структурной адаптацией на
основе предложенных моделей и методик;
имитационное моделирование разработанных научных положений.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, автоматического управления, дискретной математики, теоретико-графовые методы, методы теории массового обслуживания. Моделирование и проверка результатов выполнены на ЭВМ. При разработке программ моделирования использованы методы объектно-ориентированного и структурного программирования.
Научная новизна. В диссертационной работе решена научно-практическая проблема создания эффективных моделей и методик проектирования АССКР со структурной адаптацией, обеспечивающих рациональную загрузку компонентов системы и снижение времени ее проектирования. Получены новые научные результаты, а именно:
предложена методика проектирования АССКР со структурной адаптацией, позволяющая на основе теории графов оценить время разработки, этапы и последовательность работ по созданию и модификации АССКР;
разработана математическая модель процесса обслуживания в многоканальной АССКР, направленная на обоснование требований к характеристикам устройств, рациональный выбор конфигурации АССКР и сокращение затрат на обеспечение функциональности при нестационарных интенсивностях потоков заявок и объемах обработки;
предложена математическая модель состояний АССКР, определяющая предельный закон распределения числа загруженных каналов в зависимости от характеристик потока заявок и производительности системы;
предложена архитектура АССКР со структурной адаптацией, разработаны и программно реализованы методики моделирования интенсивности информационных потоков и загрузки компонентов системы и модели процесса обслуживания в многоканальной АССКР, позволяющие оценить соответствие выбранной конфигурации экстремальным условиям эксплуатации системы во время пиковых нагрузок.
Практическая значимость работы заключается в повышении эффективности автоматизированных систем контроля и сопровождения работ со структурной адаптацией. Гибкость предложенных решений делает возможным их применение при сопровождении и контроле работ в приборостроении, микроэлектронике, авиационной промышленности, энергетике и др. Впервые предложенная методика проектирования АССКР со структурной адаптацией позволяет на этапе эксплуатации
учесть изменяющиеся условия функционирования системы. Создание АССКР на основе разработанной методики резко сокращает трудоемкость модификации АССКР.
Анализ эффективности применения структурной адаптации в АССКР показал, что длительность этапов разработки и сопровождения АССКР сокращается на 20-40%; а начиная со второго образца АССКР со структурной адаптацией, снижение трудоемкости может достигать 50 % (в зависимости от числа рециклов).
Обосновано, что с помощью структурной адаптации и устранения дисбаланса загрузки компонентов обеспечивается снижение среднего времени пребывания заявок в сети в 50 раз, а числа заявок, находящихся в очередях - в 100 раз.
Достоверность полученных результатов и выводов определяется корректным применением строго математического аппарата и подтверждается результатами имитационного моделирования, доказавшими преимущества предложенных в работе моделей и методик, выразившимися в снижении трудоемкости процессов проектирования систем и загрузки ее компонентов.
Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры ИПОВС МИЭТ и является составной частью научно-исследовательской работы «Теоретические основы интеллектуализации поддержки принятия решений», проводимой в рамках тематического плана МИЭТ. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры ИПОВС МИЭТ в курсах «Проектирование информационных систем», «Компьютерные технологии в науке и образовании». Внедрение подтверждено соответствующим актом.
Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично, главными из них являются:
формализация процессов проектирования АССКР со структурной
адаптацией;
методика проектирования АССКР со структурной адаптацией;
математическая модель процесса обслуживания в многоканальной
АССКР;
математическая модель состояний автоматизированной системы
сопровождения и контроля работ;
архитектура АССКР со структурной адаптацией;
имитационная модель типовой АССКР с 15-узлами;
имитационные модели процесса обслуживания в многоканальной АССКР;
программная реализация предложенных моделей и методик. На защиту выносятся:
Результаты анализа характеристик АССКР, методов и средств проектирования, основных подходов к адаптации автоматизированных систем.
Формализация процессов проектирования АССКР со структурной адаптацией.
Методика проектирования АССКР по временному критерию и результаты оценки ее эффективности.
Математические модели состояний и процесса обслуживания в многоканальной АССКР со структурной адаптацией.
Архитектура АССКР со структурной адаптацией.
Результаты имитационного моделирования, апробации и внедрения разработанных научных положений.
Апробация работы. Основные результаты исследования были представлены на 6 международных, всероссийских и межвузовских научных конференциях:
13м всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006»
- г. Москва, МИЭТ, 2006 г;
14м всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007»
- г. Москва, МИЭТ, 2007 г;
Iм всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
«Актуальные проблемы информации. Развитие информационной
инфраструктуры, технологий и систем - 2007» - г. Москва, МИЭТ,
2007;
15м всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008»
- г. Москва, МИЭТ, 2008 г;
2м всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
«Актуальные проблемы информации. Развитие информационной
инфраструктуры, технологий и систем - 2008» - г. Москва, МИЭТ,
2008;
16м всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009»
- г. Москва, МИЭТ, 2009 г.
Публикации. По результатам проведенных научных исследований опубликовано 12 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, без соавторов опубликовано 9 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 144 страницы основного текста, 39 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 101 наименования и 3 приложения. Приложения содержат листинги программ; копии документов о внедрении и использовании.
Цели и задачи автоматизированного сопровождения и контроля работ
В любой организации управление является одним из ключевых аспектов деятельности, и для эффективной работы необходим четкий механизм управления. Текущее состояние предприятия и перспективы его развития во многом предопределены качеством управления [1-2], которое оказывает влияние на размер чистых активов, производство, клиентуру, доходы и т.д.
В [3] выделены две важнейшие стороны процесса управления: 1) определение оптимальных объемов и структуры комплекса данных, разработка наилучшей сети коммуникаций, способов хранения и обновления информации во многом обеспечивают эффективность системы управления, ее способность своевременно и правильно реагировать на изменения условий деятельности управляемого объекта, принимать оптимальные решения; 2) активным началом производства являются люди, поэтому большое значение следует придавать контролированию человеческого фактора, эффективной системе стимулирования, увязывающей весь комплекс материальных, моральных, административных воздействий.
Для руководителей всех уровней необходима оперативная информация о состоянии работ, выполняемых на предприятии - на ее основании принимаются управленческие решения, вносятся коррективы в планы.
Возможность планирования и контроля исполнения плана сотрудниками является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на организационную деятельность предприятия. Внедрение четкого планирования и контроля позволяет систематизировать значительную часть потока управленческих данных, стимулировать качество работы исполнителей и тем самым улучшить процесс управления предприятием.
Для однозначности понимания и точности трактовки терминов в области сопровождения и контроля исполнения работ, введем некоторые определения:
Служебное задание (работа, заявка, поручение) — любая производственная задача, требующая затрат рабочего времени сотрудника независимо от сложности, формы постановки (устная, письменная) и источника постановки (начальник, руководитель отдела, сам сотрудник).
Руководитель (постановщик задания) — сотрудник, создавший служебное задание, определивший целесообразность его выполнения и передавший поручение о выполнении задания сотруднику-исполнителю. Исполнитель (ответственный за исполнение) — сотрудник, отвечающий перед руководителем и предприятием за исполнение служебного задания. Исполнение — производственный процесс уяснения, регистрации, выполнения, предъявления и приемки результатов служебного задания. Механизм контроля. С момента постановки задач исполнителям начинается контроль - наблюдение и своевременное выявление отклонений от плана, принятие мер по предупреждению отклонений и их ликвидации, внесение корректив в выполняемые работы, фиксация и оценка результатов [3-6]. При этом цель контроля - повышение качества работы организации за счет решения основных задач: - учет производственных задач во избежание потери информации; - повышение дисциплины исполнителей при фиксации каждой назначенной им производственной задачи; - повышение качества работы исполнителей за счет приемки всех служебных заданий на основе анализа результатов выполнения; - повышение эффективности организации рабочего времени исполнителей за счет предоставления списка задач каждому из них; контроль нагрузки исполнителей при помощи учета поставленных задач и трудоемкости их выполнения; снижение вероятности возникновения ошибок при исполнении работ, предупреждение и предотвращение отклонений от плана работ; - протоколирование изменений плана работы в ходе исполнения, своевременное формирование сводок о ходе каждого этапа работы; - выявление «узких мест» в деятельности подразделений предприятия по результатам анализа исполнения производственных заданий и т.д.
Определим задачи сопровождения работ как отображение текущего состояния проекта, составление текущих отчетов, формирование сопроводительных документов по выполняемым работам, составление вариантов решения по проекту, решение спонтанно возникающих вопросов. Решение таких задач увеличивает эффективность управленческих процессов.
Контроль оказывает влияние на эффективность работы организации, если в ней функционирует механизм управления - действия руководства, направленные на определение необходимых корректирующих воздействий, обусловленных результатами анализа контролируемых показателей, их согласование, утверждение и применение [7].
Выделим основные факторы, влияющие на эффективность сопровождения и контроля исполнения работ: - четкость фиксации поставленных задач, контрольных сроков и ответственных исполнителей, а также ресурсов (если они входят в область контролируемых показателей); полнота и достоверность отображения хода исполнения каждой задачи; - регулярность контроля в ходе исполнения каждой задачи с целью выявления соответствия плану и принятым стандартам; - своевременность корректировки задач; - качество проверки результатов исполнения каждой задачи и др. Представим общую модель задачи контроля следующим образом.
Пусть вектор х = \х,...,хп] - заданная (плановая) совокупность контролируемых величин и показателей в объекте управления. В системе контроля требуется для каждой отдельной величины (показателя) найти группу задействованных исполнителей и ресурсов, частоту их контроля (измерения) и алгоритм обработки получаемых данных, в результате которого значение этой величины определяется с заданной точностью.
Учет погрешностей измерений и вычислений ведет к необходимости применения статистических методов, и для повышения точности определения измеряемой величины производят параллельные замеры и вычисления несколькими методами [8-9].
Формализация процессов проектирования АССКР со структурной адаптацией
Сопровождение и контроль работ - одна из важнейших задач управления предприятием, требующая создания автоматизированной системы. Известно [63], что каждая отдельная работа имеет небольшое число контрольных сроков, и их соблюдение не вызывает затруднений (рис. 2.1.). По мере увеличения объемов работ происходит изменение плотности и равномерности контрольных сроков. Отслеживание каждой отдельной работы в общей массе неравномерно проистекающих событий становится трудоемкой и нетривиальной задачей.
Привлечение компьютеров позволяет решить указанную проблему [64-66] и сопутствующие задачи в рамках АССКР. Организация работ по сопровождению и контролю работ на предприятии может быть представлена следующим образом (рис. 2.2.). При анализе такой схемы выделяются следующие проблемы: 1) собственно контроль состояния работ, выдача напоминаний и статистики исполнения, отображение графиков прохождения работ; 2) выделение перечней типовых работ по каждому направлению с возможностью их коррекции; 3) планирование новых работ с оптимизацией загрузки исполнителей и мощностей предприятия. Опишем общую модель модификации АССКР [67]. Пусть q(t) - распределенные во времени затраты на модификацию АССКР. Допустим, что в системе имеется п параметров х {х1,х2,...,хп} и некоторая функция р(х), описывающая правила формирования структуры системы, а также к инструментов у = {уі,у2,-,Ук} и некоторая функция \y(y,t), учитывающая распределенное во времени влияние инструментов в системе на q(t).
В многомерном пространстве Q, на осях которого отложены значения соответствующих величин, каждой модификации системы (сочетанию параметров, структур и инструментов) соответствует определенная точка пространства со,. Множество точек определяет набор возможных модификаций системы и разделено на два подмножества: модификации, получаемые с привлечением разработчика, и модификации, получаемые пользователем самостоятельно при помощи предоставленных инструментов. Число точек в подмножествах зависит от предметной области и ограничений на изменение параметров и структуры АССКР. С учетом введенных обозначений затраты на модификацию АССКР составят 9(t)=q(fp(x\\if(}),t),t). Интегральный показатель затрат на модификацию на интервале [t{,t2] составит Q{t„tl)=)F{q{t\h{t))dtb (2.1) где h(i) - весовая функция, F - функция преобразования, причем для линейного F выражение (2.1) приводится к виду Q{h,t2)=\q{T)h{t)d%, (2.2) і и при равномерной весовой функции выражение (2.2) приобретает вид: ( Р 2)=?(ТУТ. і При необходимости изменения параметров или структуры в некоторый момент t0 возникает процесс перехода системы из модификации ю, в юу, связанный с доработкой системы со, и вводом в действие модифицированной системы соj. При этом затраты (2.1) на модификацию требуют минимизации: h Q{t„t2)=\F{q{q {x\W(y,t\t))dt - min (2.3)
Таким образом, выражение (2.3) описывает интегральный показатель затрат на модификацию системы на заданном интервале времени как функционал от структуры, параметров и инструментов системы (и их взвешенного во времени влияния на затраты) и позволяет сформулировать общую задачу структурной адаптации как задачу минимизации указанного показателя.
Представим все контролируемые в АССКР события в форме таблицы с наименованиями работ, плановыми и фактическими датами их начала и окончания. Пусть х = {х,,х,,...,х„} - список названий полей в АССКР (например, для каждой работы таблица содержит информацию о подразделениях, исполнителях, требуемых ресурсах и т.д.) Эта информация может храниться в виде набора таблиц, приближаясь по структуре к БД. Здесь эффективно используется адаптация при модификации системы. Функция (р,(х,п) описывает правила отображения структуры БД в /-ой выходной форме. Изменение значений параметров х и п ведет к различным изменениям (р,{х,п). Так, например, изменение названия поля «Вид работы» на название «Тип проекта» требует замены заголовков во всех формах, где используется это поле, а добавление нового поля в БД (изменение п ) ведет к необходимости модификации всех форм. Интегральный показатель затрат на модификацию АССКР на интервале [t},t2] можно оценивать в соответствии с выражением (2.3). При традиционном подходе к разработке АССКР изменения требуют привлечения программистов для доработки форм, и здесь функция \j/mpadull iy,t) отражает затраты на доработку с учетом используемого профессионального инструментария и длительности процесса модификации. При использовании адаптации в АССКР вводится инструментарий для автоматического создания форм, учитывающий текущие значения х и п в соответствии с правилами (рХх,п). В этом случае изменение параметров не требует привлечения разработчиков для модификации форм, и изменение названия поля автоматически отразится во всех формах. Тот же инструментарий адаптации позволяет пользователю самому указывать набор полей, которые требуются ему в новых формах, создаваемых в процессе эксплуатации системы. В этом случае затраты на доработку y/cnc(y,t) существенно ниже, чем ympadU4.(y,t), причем длительность процесса модификации стремится к нулю. Соответственно, величина интегрального показателя Q{tx,t2) резко уменьшается. При размещении новой работы в списке уже идущих работ возникает задача повышения эффективности работы АССКР. В этом случае производится адаптация по текущим данным о работах и сроках. Пусть каждая работа (заявка) подразумевает некоторую загрузку цепочки цехов (или участков) в соответствии с технологическим маршрутом. Идущие на предприятии работы формируют суммарную загрузку производственных мощностей. Новую работу необходимо разместить на уже частично загруженном оборудовании. При этом начало работы в момент освобождения первого участка цепочки может на некотором участке привести к выходу за рамки пропускной способности оборудования (узкое место).
Для решения задачи размещения новой работы с помощью алгоритмического метода предположим, что технология позволяет организовывать межоперационные перерывы произвольной длины. Тогда требуется найти варианты размещения новой работы в цехах путем сдвига времени ее начала или начала некоторых ее этапов.
Анализ функционирования АССКР со структурной адаптацией
Для оптимизации функционирования и проектирования АССКР со структурной адаптацией целесообразно проводить анализ в трех направлениях (рис. З.1.): - анализ функционирования самой АССКР с учетом структуры и многочисленных функциональных связей между элементами; - анализ функционирования внешней среды, определяющей множество управляющих и возмущающих факторов; - анализ функционирования взаимосвязей между АССКР и внешней средой.
Исходя из рекомендации [72], «одним из обязательных аспектов управления является анализ исходной позиции». Цель анализа соответствует требованиям анализа функционирования АССКР с учетом структуры и многочисленных функциональных связей между элементами АССКР. Анализ функционирования и проектирование начинаются с выявления причин внедрения АССКР, а затем из имеющегося статистического материала или путем анкетирования необходимо отобразить данные, позволяющие оценить текущее состояние. Последним этапом этого анализа является обработка данных.
Сбор данных - сложная и ответственная работа. Данные могут быть получены как «жесткая статистика» (материал для чтения) или как «мягкие» сведения для оценок [72].
Анализ исходных позиций будет достаточно полным в том случае, если он опирается на «жесткие» сведения, «мягкие» сведения, а также данные, полученные в результате работы моделей управления, которые формализуют знания экспертов.
Результаты анализа функционирования АССКР позволяют сформулировать некоторую стратегию Fx достижения эффективной работы подсистем, компонентов и элементов АССКР. Стратегия F, рассматривается как алгоритмы решения множества требующих решения задач.
Аналогичный анализ исходных позиций проводится и для внешней среды. Однако если элементы вектора конструктивных параметров АССКР можно достаточно полно определить, то для внешней среды этого нельзя сделать.
Анализ исходных позиций внешней среды следует начинать с выявления ее структуры, т.е. установления состава и характеристик внешней среды (социальные слои населения, занятость населения и его доходы, производственная инфраструктура, уровень образования и прочее). Это позволяет формально задать вектор конструктивных параметров внешней среды.
Затем устанавливаются информационные связи между компонентами внешней среды, разрабатывается методология получения «жестких» и «мягких» данных.
Разрабатываются модели поведения внешней среды. Результаты анализа функционирования внешней среды позволяют идентифицировать стратегию поведения F2, отображающую эволюцию внешней среды и множество реакций на компоненты вектора выходных параметров Y АССКР.
Анализ функционирования взаимосвязей между АССКР и внешней средой начинается с установления видов и характеристик каналов информационных связей. Существуют каналы информационного воздействия на внешнюю среду и каналы оценки реакций внешней среды на компоненты вектора выходных параметров Г. Необходимо установить эффективность работы этих каналов, результативность информационного воздействия, достоверность анализа реакций.
Анализ функционирования взаимосвязей позволяет выработать стратегию F3 совершенствования взаимосвязей между АССКР и внешней средой, которая также формально складывается из задач, направленных на совершенствование имеющихся, развитие новых связей и устранения ненужных.
Декомпозиция анализа функционирования АССКР (рис. 3.2.) позволяет детализировать интересы, как АССКР, так и внешней среды, выявить средства и эффекты взаимодействия АССКР и внешней среды, а затем перейти к разработке концептуальной модели, описывающей взаимодействие АССКР и внешней среды. Исследование модели взаимодействия АССКР и внешней среды позволяет выработать общую оптимальную стратегию F проектирования АССКР, направленную на улучшение критериальных показателей при сравнении входов и выходов системы.
Под оптимизацией процессов функционирования и проектирования АССКР будем понимать процесс последовательного улучшения АССКР.
В силу закономерности целостности системы взаимное изменение одних характеристик АССКР незамедлительно отразится на других. Сложность учета всех взаимосвязей и взаимоотношений в АССКР побуждает наряду с формальными методами оптимизации процессов функционирования и проектирования (дифференциальное исчисление, линейное целевое и динамическое программирование, сетевые модели и др. [73]) использовать и эвристические методы, основанные на симбиозе знаний, методов и теорий.
Работоспособность АССКР состоит в правильном выполнении заданных функций, т.е. в правильной реализации заданного множества алгоритмов обработки материальных и информационных потоков.
Эффективность проектирования АССКР заключается в ограниченности или минимальности разного рода затрат, связанных с разработкой и применением АССКР.
Анализ эффективности АССКР осуществляется путем оценки показателей эффективности, т.е. величин, характеризующих затраты на разработку и эксплуатацию АССКР. К таким величинам, например, относятся состав АССКР и её устройств, быстродействие устройств, вероятность получения ошибочного результата и т.д. Показатели, характеризующие затраты времени на получение системой каких-либо полезных результатов, называются показателями производительности. К их числу относятся, например, средние значения времён ответа АССКР на разные типы запросов, средние числа задач разного типа, решаемых системой в единицу времени, коэффициенты загрузки устройств АССКР и другие показатели. Многие (если не все) показатели эффективности АССКР могут быть сведены к форме показателей производительности. Имея в виду это обстоятельство, термин «производительность» иногда употребляют как равносильный термину «эффективность».
По архитектуре распределенная АССКР имеет вид сложного производственного комплекса, включающего в себя вычислительные средства, математическое и информационное обеспечение, периферийное оборудование, людей [74]. Сложность АССКР порождает проблему оптимальной организации системы. Для ее успешного решения необходимо строить модели АССКР. Практический интерес моделирование имеет в двух ситуациях: 1) при анализе существующей системы с целью ее модернизации и предварительной оценки результатов модернизации; 2) при анализе вариантов построения новой системы с целью выбора лучшего варианта.
Критерием для разрешения проблемной ситуации, как при модернизации, так и при проектировании системы служит ее производительность и (или) среднее время реализации процесса обработки одного задания — цикл обработки заявок. Поэтому результатом моделирования должно быть среднее время реализации процесса и пропускная способность системы как функция параметров системы и процесса. Сложность структуры (десятки или сотни элементов: устройств и людей), вероятностный характер входящего потока заявок и времени выполнения отдельных операций свидетельствуют о том, что задача определения среднего времени реализации процесса обработки заданий есть задача теории систем массового обслуживания (СМО) или теории стохастических сетей.
Разработка архитектуры АССКР со структурной адаптацией
Если АССКР используется для управления объектом (например, как в производственном процессе), то возникают задачи оптимизации и адаптации, аналогичные задачам автоматических систем.
Для повышения эффективности производственного процесса в изменяющихся условиях может потребоваться модификация АССКР, например, введение дополнительного оборудования, что зачастую является дорогостоящим процессом, и не всегда ведет к достижению результата (повышению эффективности).
Из-за неизбежных потерь и трудностей умозрительного определения необходимых изменений в системе, сама система может оказаться уже не способной обработать необходимые производственные заявки из-за бесконечных размеров очередей, поэтому важнейшей задачей является сокращение времени адаптации системы к изменившимся условиям [89-90].
Если предоставить руководителю инструментарий для оценки возможных вариантов модификации системы, снабдив при этом исходную АССКР средствами структурной адаптации, то будет достигнуто сокращение времени модификации.
Что должна включать в себя АССКР с адаптацией? Возможность изменения структуры в АССКР необходимо предусмотреть при создании системы [91, 92]. Принцип адаптации в АССКР может применяться для обработки текущей информации от объекта управления [93].
При функционировании АССКР появляются реальные данные от объекта управления, используемые для повышения эффективности [94-96]. Руководитель формирует критерий эффективности и вводит в контур адаптации вместе с запросом (рис. 4.1.).
По заданному критерию АССКР обрабатывает текущие (прошлые) данные от объекта управления и рекомендует наилучшие решения. На основании рекомендаций руководитель принимает решение об изменении структуры АССКР, что оптимизирует работу основного контура управления. Таким образом, с помощью АССКР осуществляется структурная адаптация по текущей информации. Конкретные алгоритмы и инструментарий реализации адаптации по текущей информации зависят от предметной области и функций, для которых система создана [97, 98]. Для реализации адаптации АССКР по текущей информации необходим контур структурной адаптации, включающий несколько модулей (рис. 4.2.). Введем определение: АССКР со структурной адаптацией - это АССКР, содержащая встроенные механизмы, алгоритмы и программы для автоматизированного изменения ее структуры на основе текущих данных с целью сохранения функциональных возможностей и заданных показателей эффективности управления при изменении требований к АССКР на этапе эксплуатации. Применение рассмотренной архитектуры и предложенного математического аппарата для структурной адаптации АССКР позволит решать следующие задачи: - определять предельную интенсивность входного потока заказов на производство в условиях имеющихся производственных мощностей; - определять возможные последствия при интенсивности входного потока, превышающей предельную; - выявлять узкие места в организации производственного процесса; - моделировать подходы к разгрузке узких мест за счет увеличения скорости прохождения технологических операций либо за счет введения дополнительных единиц оборудования (или сотрудников) на участке, сдерживающем прохождение заказов с заданной интенсивностью входного потока; - моделировать необходимый набор производственных мощностей для заданной интенсивности входного потока с возможностью минимизации различных параметров (узловых и сетевых характеристик); - в перспективе возможна оценка с помощью данного инструментария возможностей производства сложных комплексов, в состав которых входят изделия/модули с различными технологическими маршрутами производства, оценка необходимости использования кооперации и т.п.
Имитационное моделирование является одним из видов компьютерного моделирования, использующим методологию системного анализа для построения обобщенной модели, отражающей все факторы реальной системы. При этом исследование такой модели осуществляется на основе результатов вычислительного эксперимента.
Из-за высокой сложности вычисления, проводимые в ходе исследования моделей, выполняются с помощью ЭВМ, позволяя «имитировать» структуры и функции сложных процессов или систем. При этом вычислительные процессы, запускаемые в компьютере, могут по своим временным параметрам быть точными аналогами исследуемых процессов.
Имитационное моделирование, реализованное на основе набора математических и программных инструментальных средств, дает комплексный метод исследования сложных систем, включающий построение концептуальных, математических и программных моделей, выполнение широкого спектра целенаправленных имитационных экспериментов, а также обработку и интерпретацию результатов этих экспериментов. Компьютерное моделирование имеет ряд преимуществ по сравнению с другими подходами. Например, появляется возможность учитывать большое количество переменных, предсказывать развитие нелинейных процессов.
Средства ЭВМ могут помочь наглядно представить созданную модель, позволяя выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемых объектов, исследовать отклик физической системы на изменения ее параметров и начальных условий, прогнозировать наиболее благоприятные управляющие воздействия. К основным этапам компьютерного моделирования относятся: - постановка задачи, определение объекта моделирования; - описание предметной области, т.е. разработка концептуальной модели, выявление основных элементов системы и основных актов взаимодействия между ними; - переход к математической модели - формализация, разработка алгоритма функционирования системы; - планирование и проведение компьютерных экспериментов; - анализ и интерпретация результатов. Следует отметить, что любое моделирование имеет в своей методологической основе элементы имитации реальности с помощью какой либо символики (математики) или аналогов. Имитационное моделирование предполагает создание логико-математической модели исследуемой системы, логическая структура которой соответствующим образом отображается в модели, где имитируются ее процессы функционирования, взаимодействия ее составных элементов [99, 100].
Под имитацией понимают проведение на ЭВМ различных серий экспериментов с моделями, которые могут быть представлены в виде некоторой совокупности компьютерных программ. Такие модели дают возможность многократно воспроизводить моделируемые процессы, статистическая обработка которых позволяет учитывать случайные внешние воздействия на изучаемый объект.
Таким образом, имитационное моделирование является информационной технологией высокого уровня, предоставляющей возможность, как для проведения работ по созданию или модификации имитационных моделей, так и для их эксплуатации и интерпретации результатов.
Выделим типовые этапы создания имитационной модели: содержательное и концептуальное описание объекта, формализация и преобразование в описание модели, программирование модели, эксплуатация программы и верификация результатов моделирования.
Для моделирования используются специализированные языки и языки универсального назначения, в данном случае был выбран язык JAVA, обеспечивающий широкий интерфейс с пользователем и имеющий возможности для автоматизации. Обработка данных численных экспериментов осуществлялась на базе MS Excel.
