Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
1. НЕОБХОДИМОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ
САМООРГАНИЗАЦИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ АСУ СЛОЖНЫХ
ОБЪЕКТОВ 16
1.1. Управление железнодорожным транспортом 16
Проблемы функционирования АСУЖТ в качестве единой системы управления железнодорожным транспортом 17
Обоснование необходимости создания АСУ КУП, как важного элемента повышения качества обучения трудовых ресурсов. ...19
1.2. Анализ существующих подходов к управлению сложной системой
на основе самоорганизации 21
Роль синергетики в общей теории систем 21
Самоорганизация в управляющих системах 24
Представление об объекте управления как о живом организме. Кибернетический подход к исследованию процессов самоорганизации 38
Выбор теоретической основы для создания и интеграции АСУ .45
1.3. Выводы 49
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР И ПРОЦЕССОВ
САМООРГАНИЗАЦИИ 50
2.1. Моделирование взаимодействия элементов системы
железнодорожного транспорта на основе теории нечетких
множеств 50
Моделирование поведения хозяйствующих субъектов на основе эффектов взаимодействия их «собственных пространств» 51
«Полевая» модель взаимоотношений человека и АСУ 55
2.2. Планетарная модель преобразования экономической структуры
отрасли 58
Теоретические аспекты построения планетарной структуры 59
Планетарные структуры на железнодорожном транспорте 61
Развитие планетарной модели управления 66
2.3. Построение признакового пространства взаимодействия
хозяйствующих субъектов 71
2.4. Выводы 77
3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕДЛОЖЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ
САМООРГАНИЗАЦИИ В ХОДЕ ИМИТАЦИОННОГО
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ОСНОВЕ
КОМПЛЕКСА ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ПРОГРАММ ....79
Компьютерное моделирование планетарной структуры 80
Компьютерное моделирование взаимодействия объектов на основе реакции их «собственных пространств» 88
Компьютерное моделирование взаимоотношений:
человек и АСУ 95
3.4. Выводы 101
4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ САМООРГАНИЗАЦИИ В
ОРГАНИЗАЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ 102
4.1. Самоорганизация - единая теоретико-методологическая основа
обеспечения «жизнеспособности» АСУЖТ 102
Система первого уровня управления 104
Симпатический канал управления 111
Система третьего уровня управления 115
Парасимпатический канал управления 116
Система четвертого уровня управления 119
Система пятого уровня управления 120
4.2. Исследование «жизнеспособности» системы автоматизированного
управления сортировочным процессом 121
Область применения и краткое описание комплексной системы автоматизированного управления сортировочным процессом. 121
Пятиуровневая иерархическая система автоматизированного управления сортировочным процессом 127
Исследование отношения персонала, участвующего в расформировании составов, к степени автоматизации этого процесса 137
Технико-экономическая эффективность внедрения КГМ 156
4.3. АСУ транспортного ВУЗа - необходимая составляющая АСУ
железнодорожного транспорта 158
4.3.1. Повышение качества обучения трудовых ресурсов - важная
задача развития экономики железнодорожного транспорта 158
Пятиуровневая схема информационных и управляющих потоков учебного процесса 160
Взгляд на организацию управления учебным процессом с точки зрения теории игр Н. Винера 165
Движущие силы самоорганизации учебного процесса 168
Автоматизированная система управления качеством учебного процесса (АСУ КУП), как одна из подсистем АСУ УЗ РГУПС169
4.4. Выводы 184
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 186
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 188
ПРИЛОЖЕНИЕ 198
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современный этап развития экономики России, ее регионов и отраслей характеризуется переходом на новые принципы хозяйствования, призванные обеспечить экономическую безопасность страны и ее устойчивый экономический рост. Железнодорожная отрасль не является в этом ряду исключением. Ранее существовавшие, жестко регламентированные организационные структуры не обеспечивали создание рационально и целесообразно функционирующих систем. Они не отражали способностей системы приспосабливаться к изменяющимся условиям среды. Вместе с тем новые, отработанные схемы создания систем, их функционирования (хозяйствования и управления) в отрасли не сформировались. Поиск средств и методов, способствующих обоснованному принятию оптимальных решений по реформированию отрасли, продолжается. Эти механизмы, очевидно, будут актуальны и в будущем, так как парадигма рыночного развития хозяйства по определению предполагает постоянный поиск эффективных решений.
Одна из базовых стратегий, которая может быть основополагающей для создания качественно иных, нетрадиционных структур управления -управление на основе самоорганизации. Уже существует ряд исследований в данном направлении, включающих в себя: разработку планетарной модели преобразования экономической структуры отрасли; моделирование самоорганизующейся схемы функционирования предприятия и др.
Рост масштабов работ по компьютеризации технологического производства и интегрированного управления, как сетью технологических процессов, так и работой железнодорожного транспорта в целом, приводит к необходимости повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации. Если мы хотим понять и использовать в автоматизированных системах управления принципы жизне-
способности, лучше всего в качестве модели исследования выбрать системы, известные как жизнеспособные и самоорганизующиеся.
При разработке современных АСУЖТ также необходимо уделять должное внимание человеческой составляющей этих систем. В настоящее время отсутствуют исследования, рассматривающие взаимоотношения человека и техники с позиций самоорганизации, позволяющие: спрогнозировать и выявить природу конфликта между человеком и автоматизированной системой управления; проанализировать возможные трудности и пути их преодоления при внедрении АСУ; исследовать отношение персонала, участвующего в организационно-технологических процессах, к степени автоматизации этих процессов; выбрать оптимальный вариант комплектации АСУ.
Все вышесказанное обуславливает необходимость научно обоснованного подхода к решению указанных проблем и доказывает актуальность исследования причин возникновения самоорганизации и возможности их использования для решения вышеперечисленных проблем.
Степень разработанности проблемы. Вопросам, определяющим тему исследования, посвящена обширная научная и методическая литература. Теоретическую основу диссертационной работы составляют фундаментальные исследования отечественных и зарубежных авторов в области самоорганизации и искусственного интеллекта С. Вира, В. И. Варшавского, Н. Винера, Г. В. Гореловой, А.Г. Ивахненко, Ю.Л. Климонтовича, СМ. Ковалева, А.А. Колесникова, В.М. Курейчика, И. Пригожина, Дж. Саридиса, В.М. Сайя, Г. Хакена, У.Р. Эшби.
Наиболее существенные результаты в области методологии и технологии управления транспортными системами получили В.И. Апатцев, Л.А. Баранов, В.А. Буянов, А.В. Горелик, П.С. Грунтов, В.Н. Иванченко, В.Е. Павлов, Г.С. Ратин, Е.А. Сотников, Е.М. Тишкин, Н.М. Фонарев, В.И. Шелухин, А.В. Шилейко и др.
Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики внесли известные ученые: К.А. Бочков,
A.M. Брылев, И.Е. Дмитриенко, И.Д. Долгий, В.Е.Ефимов, Ю.А. Кравцов,
В.М. Лисенков, И.М. Кокурин, Р.А. Косилов, А.С. Переборов,
A.M. Дудниченко, Е.М. Шафит.
Ряд, проведенных в работе, исследований опирался на труды Г.И. Белявского, А.Н. Гуды, Н.Н. Лябаха, А. И. Орлова, Е.М. Ульяницкого и др.
В исследованиях Г. Хакена, основоположника синергетики, затронуты проблемы поиска общих закономерностей развития сложных систем, способных к самоорганизации. Работы Ю.Л. Климонтовича, И. Пригожина, А.П. Руденко, И. Стенгерса посвящены изучению упорядоченных структур, спонтанно возникающих в диссипативных средах при значительном отклонении от равновесия. Вопросы, относящиеся к теории катастроф, являются областью интересов И.А. Евина и А.И. Яблонского. Труды Д. Годановой и Ф. Чизека посвящены изучению процессов биологической эволюции и рассматриваются ими как саморегулирующиеся и самоорганизующиеся процессы. Исследования В.М. Курейчика внесли большой вклад в развитие эволюционных, синергетических и гомеостатических стратегий. Областью его интересов являются искусственный интеллект, генетические алгоритмы и эволюционное программирование. Предметом исследования В. Эбелинга являются физические основы спонтанного формирования структуры в молекулярной системе. Работы У.Р. Эшби посвящены гомеостатическим системам, в частности медицинской гомеостатике и искусственному интеллекту. Примером самоорганизующегося управления, которое изменяется по мере накопления информации и применяется с целью улучшения качества работы системы, являются работы Дж. Саридиса в области адаптивного управления в системах с неполной априорной информацией об управляемом процессе. Областью интересов А.А. Колесникова является управление техническими системами на основе самоорганизации, заключающееся в дооснащении таких систем регуляторами, которые становятся частью самих систем и позволяют приводить систему в нужные для субъекта управления состояния. Исследования А.Г. Ивахненко и Й.А. Мюллера посвящены вопросам самооргани-
\
зующегося моделирования. В частности разработке самоорганизующихся алгоритмов создания моделей для целей долгосрочного прогнозирования и идентификации объектов. Труды В.М. Сайя посвящены управлению железнодорожной отраслью, в частности описанию взаимодействия ее предприятий на основе планетарной модели. Интерес представляют работы В.А. Лефевра на тему теоретико-игрового подхода исследования конфликтных ситуаций и рефлексивного управления. Н. Винер писал о взаимоотношениях машины с живым существом, о самообучающихся и организующихся системах, управление которыми должно осуществляться в форме игры с определенными правилами и критерием эффективности, в качестве которого выступает конечный выигрыш, достигаемый в соответствии с этими правилами. Огромную роль в написании данной диссертационной работы сыграли труды С. Вира и В. И. Варшавского, основу исследований которых составляют кибернетические методы управления в экономико-социальных и технических системах. Проводимая ими аналогия между искусственным миром и миром живой природы породила новые принципы, отличные от обычных схем управления. Интересны работы Варшавского в области децентрализованного управления, когда сложные процессы в системе развиваются не за счет централизованных воздействий, а за счет локальных взаимодействий ее элементов.
В данной диссертационной работе использовалась литература, посвященная методам математического моделирования. Эти вопросы (касающиеся диссертационного исследования) рассмотрены в трудах и монографиях А.Н. Гуды, Г.И. Белявского, Л.С. Берштейна.
Затронутые в данной диссертационной работе вопросы, относящиеся к области проксемики-теории, описывающей эффекты взаимодействия пространств, образуемых индивидами и их сообществами, представлены в трудах Э. Холла, Дж. Фаста. Однако, в указанных работах отсутствует математический аппарат, позволяющий учесть и описать эффекты взаимодействия
индивидов и рассматривается лишь система понятий, а также актуализируется собственно проблема исследования.
Вместе с тем в настоящее время не существует единого мнения относительно того, что понимается под самоорганизацией в организационно-технологических системах железнодорожного транспорта и каковы причины ее возникновения. Управление на основе самоорганизации не нашло еще своего широкого применения на практике. В частности недостаточно рассмотрены вышеописанные вопросы применительно к управлению железнодорожным транспортом, что и определило цель и задачи диссертационного исследования.
Целью диссертационной работы является развитие новых подходов к решению задач в области автоматизации управления сложными системами, включая системы на железнодорожном транспорте, на основе механизмов самоорганизации и адаптации.
В соответствии с данной целью были поставлены следующие теоретические и практические задачи исследования.
Выбор математического аппарата исследования самоорганизующихся систем: построение признакового пространства взаимодействия элементов системы, расчет меры близости.
Поиск моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления.
Разработка методов оптимизации структуры АСУ на основе моделей партнерского взаимодействия составляющих их элементов и пространств.
Реализация разработанных алгоритмов в виде комплекса объектно-ориентированных программ, моделирующих организационно-технологические системы железнодорожного транспорта. Анализ результатов исследования.
5. Применение результатов теоретических и экспериментальных исследований для решения ряда практических задач в области автоматизации управления сложными системами с целью обоснования практической пригодности предлагаемых методов и алгоритмов.
Объектом исследования данной диссертационной работы являются процессы в сложных организационно-технологических объектах ж. д. транспорта и их автоматизированных системах управления, отличающихся:
недостаточной формализуемостью;
сложной структурой связей и отношений;
наличием неизвестных и трудноучитываемых факторов;
многокритериальностью функционирования;
нестационарностью процессов, происходящих в системе.
Примерами объектов, соответствующих вышеуказанным условиям, являются технико-технологические комплексы транспортного конвейера страны, а также коллективы предприятий, сами эти предприятия, формирующие организм отрасли, а также сами отрасли, составляющие экономику страны в целом. В частности объектами исследования являются: единая автоматизированная система управления ж. д. транспортом; комплекс горочный микропроцессорный (КГМ), входящий в состав системы автоматизированного управления сортировочным процессом (КСАУ СП), предназначенный для автоматизации управления технологическими процессами расформирования составов на сортировочных горках различной мощности и степени механизации; а также высшие учебные заведения (ВУЗы), подготавливающие кадры для работы в железнодорожной отрасли, в частности РГУПС.
Предмет исследования - методы моделирования трудно формализуемых технологических процессов в сложных организационно-технических системах и методы автоматизации управления данными процессами на основе механизмов самоорганизации и адаптации.
Работа выполнена в рамках паспорта специальности 05.13.06. - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте)» по следующим областям исследования:
3. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.
13. Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации.
Методы исследования основываются на применении теории нечетких множеств, методов экспертных оценок, теории устойчивости и адаптации (С. Вира), имитационного моделирования, компьютерных экспериментов с моделями.
В качестве инструментально-методического аппарата были использованы визуальная среда программирования Delphi 7.0., пакет прикладных математических программ Mathcad 2001 Professional, редактор электронных таблиц Microsoft Excel 2002.
Информационно-эмпирическая база исследования. При проведении диссертационного исследования автором использованы сведения и данные из монографий и статей отечественных и зарубежных исследователей, материалов научно-практических конференций по тематике синергетика и самоорганизация, информационные ресурсы Интранет ОАО «РЖД» и Интернет, техническая документация к проектам департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД»: «Комплекс горочный микропроцессорный», «Горочная автоматическая централизация микропроцессорная с ведением накопления вагонов в сортировочном парке (ГАЦ МЫ)», «Разработка программно-аппаратного модуля УУПТ плавного управления тормозными средствами», а также «Внедрение системы поддержки принятия решений для повышения надежности и
безопасности функционирования средств ЖАТ на автоматизированных сортировочных горках» и др.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
Разработан новый класс планетарных моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления.
Предложен метод оптимизации структуры АСУ на основе «полевой» модели партнерского взаимодействия составляющих ее элементов и пространств.
Разработана методика управления процессами интеграции АСУЖТ, в основу которой заложены принципы организационной кибернетики С. Вира.
В работе предложена автоматизированная система управления качеством учебного процесса транспортного ВУЗа, базирующаяся на моделировании внутригрупповых взаимоотношений в целях формирования у участников заданного поведения, посредством их обучения наиболее успешной для себя тактики, и достижения эффекта взаимного приспособления.
Научная новизна работы заключается в развитии теории и методов автоматизации управления сложными технологическими процессами в условиях априорной неопределенности и изменчивости свойств исследуемых объектов на основе использования нового класса моделей, воспроизводящих механизмы принятия решений в естественных системах:
новый метод оптимизации структур автоматизированных систем управления на основе моделей партнерского взаимодействия составляющих их элементов и пространств;
новый класс планетарных моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития
самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления;
- методы управления процессами интеграции специализированных
информационных систем, включая АСУ ЖТ и АСУ ВУЗа, в единую систему
в условиях многокритериальное и наличия множества «НЕ-факторов».
Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования обусловлена возможностью использования его результатов при разработке новых классов автоматизированных информационно-управляющих систем, основанных на принципах функционирования естественных систем управления и предназначенных для автоматизации управления плохо формализуемыми объектами, свойства которых априори недостаточно известны или изменяются в процессе функционирования.
В работе получены следующие практические результаты:
разработан комплекс имитационных, диагностирующих программ, моделирующих процессы самоорганизации в исследуемых системах;
предложена схема интеграции АСУЖТ в единую систему сбора, обработки данных и оперативного управления ж. д. транспортом;
в ходе исследования системы автоматизированного управления сортировочным процессом выявлен вариант комплектации микропроцессорного горочного комплекса, отвечающий требованиям «жизнеспособности», с позиций организационной кибернетики С. Вира;
проанализирован возможный конфликт человек-техника при внедрении КГМ, выделен наиболее приемлемый с этой точки зрения вариант комплектации комплекса, обоснована возможность оптимизации количества персонала, ответственного за процессы расформирования составов в ручном режиме;
путем исследования информационных и управляющих потоков разработан механизм самоорганизации учебного процесса транспортного ВУЗа, являющий собой теоретическую основу для создания автоматизированной системы управления качеством учебного процесса;
- в рамках процесса интеграции информационных систем высших учебных заведений железнодорожной направленности и АСУЖТ, в целях повышения качества обучения специалистов железнодорожного транспорта, предложен способ включения в состав АСУ УЗ РГУПС подсистемы управления качеством учебного процесса.
Достоверность полученных результатов исследования подтверждается имитационным моделированием, апробацией на научных семинарах и конференциях, результатами внедрения научных исследований и рядом публикаций.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения и научные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2004» (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), на шестой международной Петрозаводской конференции «Вероятностные методы в дискретной математике» (г. Петрозаводск, 2004 г.), на Всероссийской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.), на шестом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2005г.), на Международной научно-практической Интернет-конференции «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (г. Ростов-на-Дону, 2006 г.). Результаты диссертационной работы были одобрены грантом РГУПС (2006г.), свидетельством об отраслевой регистрации разработки в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ» (2006г.).
Материалы диссертации использовались автором при его участии в программе фундаментальных и поисковых НИР за 2004 год по теме № 770/15 «Автоматизация железнодорожных комплексов (сортировочных станций): проблемы моделирования и управления».
Результаты диссертации были внедрены в следующем.
1. При разработке рекомендаций по совершенствованию деятельности системы автоматизированного управления сортировочным процессом (КСАУСП).
В рамках совершенствования, разрабатываемой в Ростовском филиале ВНИИАС, подсистемы поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки (СППР КДК СУ), входящей в состав КСАУ СП.
При подготовке вышеназванных отчетов НИР РГУПС.
4. В учебном процессе университета.
Акты о внедрении прилагаются.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ общим объемом 5 печатных листов, лично автором 3,75 печатных листа. Список печатных работ включает 10 печатных работ без соавторов, 6 статей и 5 тезисов докладов на конференциях (из них в центральной печати 7), 1 методическое указание, свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 15 параграфов, объединенных в четыре главы, заключения, списка использованной литературы и приложения. Список литературы содержит 140 наименований библиографических источников.
