На правах рукописи

Потрясаев Семн Алексеевич

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМЫ

КОМПЛЕКСНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ

И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ

В КОРПОРАТИВНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Специальность: 05.13.01 – Системный анализ, управление

и обработка информации (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Соколов Борис Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки и техники РФ Калинин Владимир Николаевич доктор технических наук, профессор Заслуженный деятель науки РФ Тимофеев Адиль Васильевич

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный университет аэрокосмического приборостроения».

Защита состоится «19» ноября 2009 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 002.199.01 при Учреждении Российской академии наук Санкт-Петербургском институте информатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, Санкт-Петербург, В.О., 14 линия, 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Санкт-Петербургского института информатики и автоматизации РАН.

Автореферат разослан «18» октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Ронжин Андрей Леонидович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В последние годы наблюдается устойчивая тенденция усложнения существующих технических систем и появления их принципиально новых классов. Сложность данных технических систем, в основном, вызвана увеличением числа входящих в их состав подсистем и объектов, а также, соответственно, стремительным ростом числа внутренних связей, и проявляется в таких аспектах, как структурная сложность, сложность функционирования, сложность выбора поведения и сложность развития. Одна из главных особенностей современных сложных технических систем (СТС) состоит в том, что их параметры и структуры на различных этапах жизненного цикла постоянно изменяются под действием различных причин: объективных и субъективных, внутренних и внешних, и т.д. В этих условиях для сохранения, повышения либо восстановления уровня работоспособности и возможностей СТС необходимо управлять присущей им сложностью. Управление СТС по своей структуре многофункционально.

Основными функциями управления являются: целеполагание, планирование, регулирование, функции контроля и учта, мониторинга и функции координации.

Среди них важнейшей функцией является планирование работы указанной системы.

Наибольший положительный эффект от автоматизации планирования функционирования рассматриваемых систем достигается при комплексном планировании их функционирования, то есть совместном планировании всех процессов и распределении ресурсов СТС. Комплексное планирование позволяет учесть взаимное влияние подсистем друг на друга, а также связать результаты целевого применения СТС и варианты функционирования е подсистем. Кроме того, СТС функционируют в условиях существенной неопределнности внешней среды, и учт факторов неопределнности также целесообразно проводить в рамках комплексного планирования функционирования указанных систем. Анализ современного состояния исследований задач планирования операций и распределения ресурсов в корпоративной информационной системе (КИС) показал, что к настоящему времени разработано много моделей, методов, алгоритмов и методик как перспективного, так и календарного (оперативного) планирования и диспетчеризации (В.С. Танаев, В.С. Шкурба, 1975; И.Н. Зимин, Ю.П. Иванилов, А.Я. Лернер, 1971; Н.Н. Моисеев, 1975). Вместе с тем, большинство разработанных ранее подходов были нацелены на решение задач планирования в отдельных элементах и подсистемах СТС без их согласования и учта взаимного влияния, без учта факторов неопределнности и факторов, связанных с многокритериальной постановкой соответствующих задач планирования. Таким образом, особую актуальность в настоящее время приобретает решение задачи комплексного оперативного планирования операций и распределения разнородных ресурсов в современных СТС на базе дальнейшего совершенствования и развития существующего научно-методического аппарата, разработанного в теории управления, теории выбора и принятия решений, исследовании операций и системном анализе.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и реализации модельно-алгоритмического обеспечения решения задачи комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС для повышения оперативности и качества е функционирования.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы: общая теория систем, теория управления динамическими системами, теория принятия решений, теория расписаний, теория графов, методы решения экстремальных задач.

Положения, выносимые на защиту:

1. Полимодельное описание и постановка задачи комплексного оперативного планирования операций и распределения ресурсов в КИС как задачи оптимального программного управления динамическими объектами со смешанными ограничениями.

2. Алгоритм решения задачи комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС, построенный на основе комбинированного использования методов локальных сечений и последовательных приближений.

3. Алгоритм оценивания робастности планов функционирования КИС для интервально-заданных возмущающих воздействий.

4. Практические рекомендации по использованию оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС.

Научная новизна:

1. Предложена оригинальная динамическая интерпретация процессов выполнения целевых и обеспечивающих операций и распределения ресурсов в КИС, позволяющая, во-первых, на единой методологической и модельноалгоритмической основе проводить совместную постановку и решение как задач комплексного планирования указанных операций, так и задач оценивания робастности соответствующих планов, и, во-вторых, осуществлять оперативное распределение и перераспределение ресурсов в рассматриваемом классе информационных систем.

2. Разработан алгоритм комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС, используя который удалось исходную задачу планирования, имеющую по своей «природе» дискретно-непрерывный характер, преобразовать с помощью принципа максимума Л.С.Понтрягина и метода локальных сечений Болтянского В.Г. в двухточечную краевую задачу, для решения которой использовался метод последовательных приближений.

3. Разработан алгоритм построения и аппроксимации областей достижимости комплексных программ управления функционированием КИС для случая интервально-заданных возмущающих воздействий, с использованием которого удается сократить затраты времени на принятие решений по оптимальному распределению ресурсов в рассматриваемой информационной системе в указанных условиях неопределенности.

4. Разработан алгоритм формирования динамических приоритетов целевых и обеспечивающих операций, выполняемых в КИС, которые в отличие от приоритетов, вычисляемых по существующим методикам, учитывают многоаспектную технологию распределения складируемых и нескладируемых ресурсов в указанной информационной системе.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждаются, вопервых, всесторонним анализом современного состояния исследований задачи комплексного оперативного планирования операций и распределения ресурсов, вовторых, корректностью предложенных моделей и алгоритмов, согласованностью результатов экспериментов, проведнных с использованием программной реализации указанных алгоритмов, с результатами календарного планирования, а также апробацией основных теоретических положений в печатных трудах на докладах на российских и международных научных конференциях.

Практическая ценность данной диссертационной работы состоит в повышении оперативности и робастности функционирования корпоративной информационной системы за счт комплексного оптимального планирования операций и распределения е ресурсов. Оптимизация планирования основывается на динамической интерпретации процесса функционирования КИС, что позволяет существенно сократить размерность и время решения исходной задачи за счет е декомпозиции на ряд частных задач оптимального программного управления.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы в четырх организациях. В СПИИРАН в рамках следующих проектов и НИР: проект №07-07-00169 «Теоретическое обоснование и экспериментальные исследования перспективных путей решения задач комплексной автоматизации процессов адаптивного планирования и управления модернизацией и функционированием катастрофоустойчивых информационных систем», проект №08-08-00346-а РФФИ "Разработка методов моделирования, структуризации и алгоритмизации правил управления состояниями технических систем в штатных и нештатных ситуациях по их неформализованным исходным описаниям", проект №08-08-00403-а РФФИ "Теоретические и экспериментальные исследования процессов интерактивного управления динамическими логистическими сетями с использованием технологий радиочастотной идентификации и мобильных информационных технологий", НИР «Разработка теоретических основ и методов структурно-функционального синтеза самоорганизующихся информационных систем (СИС)», а также при проведении ОКР в ЗАО «Специальное конструкторское бюро „Орион“», в учебных процессах Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» и Технического университета г. Хеймниц (Германия).

Практическая ценность подтверждена соответствующими актами реализации.

Апробация работы. Основные положения и результаты настоящей диссертационной работы были представлены на 10-и международных, всероссийских и внутриведомственных конференциях и семинарах, в том числе: на Международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века», Воронеж, 2004 – 2006 гг.; на Международной конференции «Обработка информации и управление в чрезвычайных и экстремальных ситуациях», Минск, 2006 г.; на Международной конференции «Speech and Computer», Санкт-Петербург, 2006; на Международной конференции «Системный анализ и информационные технологии», Обнинск, 2007 г.; на Межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России» 2005, 2008 гг.; на Всероссийской конференции «Математические методы распознавания образов», 2007; на Научной конференции "Управление и информационные технологии" (УИТ-2008), СанктПетербург, 2008.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в печатных работах, среди них три работы в рецензируемых журналах из перечня ВАК (две публикации в «Известиях ВУЗов. Приборостроение» (2006, 2008 гг.) и одна публикация в «Трудах института системного анализа РАН. Поддержка принятия решений» (2008 г.)).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырх разделов, заключения, списка литературы и двух приложений.

Основной текст изложен на 145 листах, содержит 6 таблиц, 26 рисунков. Список цитированной литературы включает 161 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено современное состояние решаемых в диссертации научно-технических задач, обоснована актуальность работы, проведн анализ целей, задач и возможных методов проведения диссертационных исследований.

Приведены данные о внедрении и апробации результатов, описано содержание работы.

В первой главе проведн системный анализ задач комплексного планирования операций и распределения ресурсов в автоматизированных системах (АС), которые в настоящее время чаще называются корпоративными информационными системами (КИС), представляющие собой объединение (интеграцию) отечественных и зарубежных АС. Поэтому далее под КИС (АС) в диссертационной работе понимается система, имеющая организационную составляющую в виде персонала и техническую составляющую в виде комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующего целевые процессы системы (бизнес процессы), а также вспомогательные и обеспечивающие процессы. При классификации по виду управляемого объекта (процесса) принято различать автоматизированные системы управления производством (АСУП), производственным процессом (АСУПП) и технологическими процессами (АСУТП). В последнее время в РФ на предприятиях активно внедряются иностранные производственные линии и поэтому широкое распространение также получили зарубежные аналоги перечисленных ранее производственных АСУ: ERP, MES и SCADA соответственно. В диссертации показано, что одной из основных проблем создания и применения КИС является проблема интеграции ее подсистем и функций управления, среди которых важнейшую роль играет функция планирования. Анализ полученных ранее результатов исследований задач автоматизации процессов планирования показал, что: к настоящему времени заложены методологические и алгоритмические основы создания специального математического обеспечения планирования работы отдельных элементов и подсистем КИС. Однако результаты ранее выполненных научных работ не позволяют с требуемой полнотой, степенью детализации, обоснованностью и своевременностью учесть все необходимые аспекты реализации технологии комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС.

Кроме того, в условиях растущих угроз экономической, физической и информационной безопасности оценка уровня робастности КИС и его повышение является одним из важнейших стратегических направлений развития любого предприятия. Для противодействия существующим угрозам необходимо обеспечивать требуемый уровень катастрофоустойчивости КИС, но, к сожалению, существующие модели и алгоритмы планирования в большинстве своем не позволяют на конструктивном уровне учитывать различные варианты сценариев воздействия внешней среды на процесс реализации планов.

В связи с вышеизложенным, в первой главе сделан вывод, что наибольший эффект от автоматизации процесса планирования можно достичь только при комплексном планировании операций, когда проводится совместное планирование целевых, обеспечивающих и вспомогательных операций, а также распределение ресурсов в КИС.

В целях дальнейшей формализации указанных задач предложен вариант построения концептуальной модели функционирования КИС. В составе данной модели выделены следующие концепты: процессы, операции, потоки, ресурсы. В качестве основной структуры, позволяющей провести интеграцию всех других структур в КИС, выбрана технологическая структура.

Указанные выше концепты формализованы с использованием теоретикомножественного подхода. Так, множество целевых и обеспечивающих процессов, выполняемых в ходе функционирования ИС обозначены. Множество объектов (подсистем), входящих в состав КИС и используемых обработки данных, – множество моментов времени. Для повышения катастрофоустойчивости КИС введено множество дополнительных операций (репликаций), связанных с синхронизацией данных между основным и резервными центрами обработки данных (множество обозначено Таким образом, теоретико-множественная модель планирования операций в КИС может быть представлена в виде математической структуры выбора с мультипредпочтением:

где – исходная математическая структура типа S, которая определяет тип модели (статический, динамический и т.п.); – множество альтернатив (решений), на котором производится выбор, суженное матричными временными функциями и, задающими пространственно-временные и технические ограничения; – множество ограничений выбора в соответствии с условиями функционирования объектов КИС; – множество отношений предпочтения, характеризующих различные предпочтения при выборе оптимального решения; – множество операторов, позволяющих задавать результирующее отношение предпочтения рассматриваемой задачи:

C учтом вышесказанного, исследуемая в диссертации задача планирования относится к классу задач формирования множества наилучших с точки зрения заданных отношений предпочтения альтернатив и выбора в нем наилучшей альтернативы. Выбор конкретной альтернативы (оптимального комплексного плана применения КИС) должен осуществляться из множества Парето. При этом целесообразно при решении задачи оперативного планирования операций в КИС руководствоваться методом последовательного сужения множества допустимых альтернатив:

где – количество анализируемых отношений предпочтения,.В данном случае выбор оптимальной программы управления КИС осуществляется из множества.

Итак, с использованием предложенной теоретико-множественной модели функционирования КИС удалось формально описать ранее введенную концептуальную модель и отнести е к математическим структурам выбора со многими отношениями предпочтения.

Проведнный во второй главе анализ возможных вариантов построения аналитических моделей планирования показал, что в КИС целесообразно использовать класс динамических моделей, так как их применение позволяет:

широко использовать в ходе планирования фундаментальные научные результаты, полученные в современной теории управления динамическими системами;

существенно сократить размерность задач планирования, решаемых в каждый момент времени; обоснованно подходить к выбору временных интервалов работы элементов и подсистем КИС; существенно сократить затраты оперативной памяти ЭВМ, повысить оперативность решения задач планирования при использовании систем, поддерживающих параллельные вычисления. Кроме того, алгоритм планирования, построенный на базе динамических моделей, обладает минимальной связностью.

В главе представлены четыре типа динамических моделей программного управления основными элементами и подсистемами КИС, отражающих различные аспекты е функционирования: программного управления операциями взаимодействия; управления ресурсами; управления потоками; управления вспомогательными операциями. Далее приведено подробное описание одной из них – модели программного управления операциями:

где – переменная, характеризующая состояние выполнения операции в ходе реализации процесса – управляющее воздействие, при этом использованием соответствующего ресурса, – в противоположном случае.

возможные (альтернативные) последовательности выполнения операций :

где – множество номеров операций взаимодействия, проводимых с объектом, непосредственно предшествующих и технологически связанных с операцией с помощью логических операций «И», «ИЛИ» (либо «альтернативное ИЛИ») соответственно. Согласно следующему ограничению (5) в каждый текущий момент времени операция может выполняться только на одном объекте и на каждом объекте в каждый текущий момент времени может выполняться не более операций, где – заданный уровень возмущающих воздействий:

Последнее ограничение определяет релейный характер управления:

Указанные ограничения соответствуют ограничениям классической задачи о назначениях.

Краевые условия задаются в следующем виде:

где – известные дифференцируемые функции, с помощью которых задаются краевые условия, накладываемые на вектор в моменты времени Введены следующие показатели качества управления операциями, выполняемыми в КИС:, который оценивает точность выполнения краевых условий, то есть, потери, вызванные невыполнением операций в КИС, и, оценивающий точность соблюдения директивных сроков, при этом – заданная гладкая функция времени, с помощью которой оценивают качество выполнения операций:

Остальные перечисленные ранее модели имеют аналогичную структуру.

Обобщнная модель представляет собой детерминированную нелинейную нестационарную конечномерную дифференциальную динамическую систему и может быть представлена в следующем виде:

состояния и управления ИС; – известные вектор-функции, с помощью которых задаются краевые условия; – векторные функции, с помощью которых задают основные пространственно-временные, технические и технологические ограничения, накладываемые на процесс функционирования ИС.

Кроме выражения (9) в состав детерминированной динамической модели планирования входит система показателей качества планирования, задаваемая следующим обобщнным векторным показателем:

Компоненты обобщнных векторов состояния, управления и показателей качества относятся к следующим моделям (рис. 1): и – модель программного управления ресурсами и – модель программного управления потоками – модель программного управления вспомогательными операциями.

Рис. 1. Состав обобщнной динамической модели планирования На рис. 1 представлены взаимосвязи рассмотренных выше моделей. Так, например, модель программного управления операциями связанна с моделью программного управления движением с помощью матричной временной функции. В свою очередь, модель программного управления операциями влияет на модель программного управления ресурсами, с использованием управления. Программное управление, также оказывает влияет на модель управления потоками, через ограничения. Модель программного управления вспомогательными операциями взаимосвязана с моделью управления основными операциями и моделью управления потоками через переменные состояния В заключение второй главы задача планирования сформулирована как задача программного управления динамической системой (9).

В третьей главе предложен метод и алгоритмы поиска оптимальной программы управления КИС. Предложенный в предыдущей главе полимодельный комплекс предполагает использование комбинированных алгоритмов, которые базируются на необходимых условиях оптимальности, полученных на основе принципа максимума Л.С. Понтрягина, что позволяет свести исходную задачу оптимального управления к двухточечной краевой задаче.

Для выполнения всех условий теоремы существования оптимального управления осуществлн переход к расширенному классу управляющих воздействий, в котором релейное управление заменено на интервальное. Если в расширенном классе управляющих воздействий оптимальное управление существует, то оно в каждый момент времени доставляет максимум Гамильтониану Далее в третьей главе приведены необходимые для решения данной оптимизационной задачи сопряжнная система уравнений и условия трансверсальности на левом и правом концах фазовой траектории, которым должна она удовлетворять. Также показано, что исходя из линейности Гамильтониана, его максимизация на исходном и расширенном множестве управляющих воздействий приводит к одному и тому же результату. Таким образом, решая релаксированную задачу оптимизации в расширенном классе управляющих воздействий, мы получаем решения допустимые в исходном классе управляющих воздействий.

В подпункте 3.1.1 третьей главы приведн пример существующего алгоритма оперативного планирования комплекса операций, основанного на методе И.Н.

Зимина и использующего принцип максимума Л.С. Понтрягина. Анализ данного, как и других существующих алгоритмов решения исследуемого в работе класса задач планирования, показал, что при реализации данных подходов на практике возникает целый ряд алгоритмических и вычислительных проблем, связанных с нестационарностью условий функционирования КИС, учтом факторов неопределнности и многокритериальностью выбора.

Для преодоления указанных трудностей предлагается алгоритм комплексного оперативного планирования операций, основанный на методе Крылова-Черноусько.

Кратко, вычислительная схема данного алгоритма состоит в следующем. На первом шаге задатся диспетчерское решение (произвольный допустимый план). На втором шаге интегрируется основная система уравнений с заданными начальными условиями и диспетчерским управлением. В результате формируется вектор состояний модели программного управления операциями взаимодействия и вычисляется значение обобщнного показателя качества. В заключение второго шага вычисляются условия трансверсальности. На третьем шаге интегрируется сопряжнная система уравнений от конечного момента времени к начальному, используя условия трансверсальности в качестве начальных условий. Четвертый шаг – поиск оптимального управления исходя из условия максимизации Гамильтониана. Одновременно с этим происходит интегрирование основной системы уравнений. При этом в каждый момент времени происходит динамическая декомпозиция основной задачи на несколько задач математического программирования: задача линейного программирования, задача о назначениях.

Итерационный процесс поиска оптимального решения заканчивается в том случае, когда значения обобщнного показателя качества и векторы управления на двух последних итерациях различаются не более чем на малые величины и соответственно.

Кроме того, при использовании данного метода последовательные приближения управляющих воздействий проводятся в классе разрывных функций.

Это является удобным, так как на практике при комплексном планировании программа распределения ресурсов носит релейный характер.

При описании концептуальной модели функционирования КИС шла речь о необходимости оценивания и повышения робастности (нечувствительности) получаемых планов. В диссертационной работе предлагается алгоритм, позволяющий учитывать факторы неопределнности в моделях планирования. Из трх характерных вариантов задания исходных данных (детерминированные, стохастические и интервальные) в третьей главе рассмотрен наиболее сложный вариант – интервальное задание параметров сценариев воздействия внешней среды на процесс реализации планов. Первым этапом оценки робастности является построение области в пространстве критериальных функций (показателей качества планирования). В диссертационной работе рассматривались два компонента обобщнного векторного показателя качества: показатель общего объма выполненных работ и показатель суммарного объма информации, переданной в процессе функционирования КИС.

Для дальнейшего решения задачи оценивания робастности планов в этом случае должны быть заданы нижние (либо верхние) допустимые границы изменений значений указанных ранее частных показателей, определяющие в пространстве показателей область, попадание в которую нежелательно, исходя из требований по реализации технологий управления соответствующими объектами КИС. Далее анализируется взаимное расположение областей и. В случае, если то план функционирования КИС нечувствителен к воздействию заданных возмущений. В противном случае –, можно говорить о той или иной степени робастности различных планов, анализируя величину площади пересечения данных областей. Наиболее робастным будет тот план, для которого указанная величина будет минимальна.

Исследования показывают, что точное построение области является чрезвычайно трудной задачей и в практических приложениях обычно ограничиваются его аппроксимацией с требуемой точностью. В диссертации предложен алгоритм проведения указанной аппроксимации с использованием простейшего многогранника (прямоугольника).

В целом, предложенный в третьей главе подход, основанный на динамической интерпретации процессов управления КИС, позволил реализовать концепцию системного планирования. При этом разработанные унифицированные динамические модели функционирования КИС можно использовать как собственно на этапах прогнозирования возможностей КИС и планирования их работы (на этапах перспективного, долгосрочного, оперативного планирования), так и на этапе реализации плана.

В главе 4 описан процесс разработки и исследования прототипа программного комплекса, предназначенного для подтверждения конструктивности и корректности использования рассмотренных в диссертационной работе моделей и алгоритмов решения задачи комплексного оперативного планирования операций в КИС и оценивания робастности построенных планов. Процесс разработки программного комплекса состоял из двух этапов: разработка объектно-ориентированной спецификации и написание кода на выбранном языке программирования по разработанной спецификации и алгоритмам. В качестве базовых технологий его создания выбраны: диаграммы пакетов и классов на языке UML, среда разработки CodeGear Delphi, решатель задач математического программирования – надстройка SOLVER в Microsoft Excel, язык хранения данных – XML. Прототип программного комплекса состоит из четырех основных модулей: расчт, визуализация результатов, ручное создание и редактирование модели, автоматическое генерирование модели.

Разработанный прототип был протестирован двух задач: комплексного оперативного планирования операций, выполняемых в центре управления полтом навигационных космических аппаратов (НКА) и планирования расписания занятий на тренажрном комплексе в корпоративном учебном центре.

В первом примере с использованием указанного прототипа программного обеспечения решена задача комплексного планирования операций и распределения ресурсов в центре управления полетом (ЦУП) орбитальной группировки навигационных космических аппаратов (ОГ НКА). Данный ЦУП является основной подсистемой, входящий в состав соответствующей АСУ, которая является одним из примеров реализации современной КИС. В диссертации показано, что для правильной работы ОГ НКА необходимо постоянно проводить уточнения и коррекцию соответствующей навигационной информации (частотно-временных поправок и эфемеридной информации) Указанный процесс коррекции предполагает реализацию соответствующей технологии автоматизированного управления НКА.

На практике данная технология реализуется в ЦУП совместно с технологией обеспечения информационной безопасности. В этих условиях задача комплексного планирования операций в ЦУП может быть сформулирована следующим образом:

необходимо найти такую допустимую (оптимальную) программу управления ЦУП (план его функционирования), в ходе реализации которой будут выполнены своевременно и полностью все операции, входящие в соответствующие технологические циклы управления НКА, а качество обеспечения потребителей навигационной информацией удовлетворяло бы заданным требованиям. Данная задача была решена двумя способами: используя алгоритм «Первым пришл – первым обслуживается» (FIFO) и используя предлагаемый в пункте 3.1.2 алгоритм комплексного оперативного планирования (DYN). Ниже приведена сравнительная таблица (Таблица 1) показателей качества полученных решений. Формулы, применяемые для расчта показателей качества, приведены в основном тексте настоящей диссертационной работы.

В данном примере применение алгоритма динамического планирования операций в КИС позволило улучшить обобщнный показатель качества на 5%.

В ходе проведения более чем 1500 экспериментов выявлено влияние некоторых параметров модели на степень улучшения показателя качества. В большей степени влияют: суммарное количество выполняемых операций на интервале планирования, которое в рассматриваемом примере определяется количеством НКА; «плотность»

данных операций, – среднее арифметическое всех интенсивностей обработки операции ресурсом. В меньшей степени влияют: дисперсия объмов выполняемых операций; соотношение суммарного объма операций к числу процессов.

На рисунке 2 приведн график поверхности в пространстве следующих показателей: количество НКА, информация от которых подлежит обработке в ЦУП на интервале планирования; плотность операции; улучшение обобщнного показателя качества по сравнению с эвристическим планом.

Относительная плотность операции, % Рис. 2. График зависимости показателя качества от исходных данных Получив эталонные решения для нескольких опорных точек, соответствующих типовым вариантам исходных данных, можно определить целесообразность использования того или иного эвристического алгоритма вместо алгоритма динамического планирования. На рисунке 3 представлен фрагмент графика, отображающего нормированные значения показателей качества для некоторых типовых вариантов исходных данных. Значения показателя качества эвристических решений рассчитываются как доли эталонного решения, принятого за 100%.

Относительная величина показателя качества, % Так, например, на графике можно выделить следующие области: №1, не более 12 НКА – область эквивалентного использования эвристических и эталонного решения, так как значения показателей качества отличаются не более чем на 4%;

№2, от 13 до 20 НКА включительно и №4, 23 и 24 НКА – область предпочтительного использования эталонного решения, при необходимости использования эвристических решений выбор конкретной дисциплины назначения приоритетов не принципиален; №3 – область предпочтительного использования эталонного решения, при необходимости использования эвристических решений целесообразнее использовать дисциплину назначения приоритетов LIFO.

Анализ результатов второй серии экспериментов, направленных на выявление зависимости робастности полученного решения от исходных данных показал, что планы, реализуемые на однородных ресурсах, в среднем на 12% более робастны, чем планы, реализуемые на разнородных. Кроме того, дополнительно (в среднем на 7%) повышает робастность декомпозиция суммарной производительности всех ресурсов на большее число независимых ресурсов. Сделан вывод, что в большинстве случаев для повышения робастности решения предпочтительнее использовать группу близких по характеристикам ресурсов вместо применения нескольких экземпляров вычислительных машин с уникальными характеристиками.

Для подтверждения возможности широкой интерпретации концептуальных объектов, которыми оперирует разработанный прототип программного комплекса, приведн второй пример, представляющий собой решение задачи комплексного планирования проведения практических занятий на тренажрных комплексах в корпоративном учебном центре. Данная задача обычно решается эвристическими алгоритмами (в частности, FIFO) и затем корректируется вручную. Благодаря применению алгоритма комплексного планирования операций в КИС удалось улучшить обобщнный показатель качества решения на 16% по сравнению с планом на основе дисциплины FIFO и на 13% по сравнению с откорректированным вручную планом.

Завершается 4-я глава определением перспективных направлений применения созданного программно-математического обеспечения. Среди них особое внимание уделено развивающейся технология виртуализации вычислительных платформ.

Показана возможность и целесообразность использования вычисляемых динамических приоритетов как при коррекции и перепланировании, так и при реализации построенного ранее плана.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

В настоящей диссертационной работе решена важная актуальная научнотехническая задача автоматизации комплексного оперативного планирования операций и распределения ресурсов в КИС, имеющая большое значение для развития информационных технологий и комплексов в критических приложениях (например, аэрокосмической области, промышленном производстве, транспортное логистике, военном деле и т.п.). При этом в ходе решения данной задачи были получены следующие результаты:

1. Предложена оригинальная динамическая интерпретация задачи комплексного планирования операций и распределения ресурсов в КИС. Определн взаимосвязанный комплекс моделей, позволяющий, с одной стороны, учитывать взаимное влияние целевых и обеспечивающих процессов, а с другой стороны, неопределнность воздействия внешней среды, которая конструктивно описывается динамически изменяемыми интервально заданными ограничениями.

2. Разработаны комбинированные методы и соответствующие алгоритмы комплексного оперативного планирования и распределения ресурсов в КИС, базирующиеся на использовании как численных методов решения задач оптимального управления динамическими системами, так и методов математического программирования, используемых при оптимизации принятия решения на статических моделях.

3. Предложен оригинальный алгоритм оценивания робастности комплексных планов функционирования КИС для случая интервально-заданных возмущающих воздействий и наглядные способы представления результатов этой оценки, позволяющие лицу, принимающему решения, в интерактивном режиме целенаправленно упорядочивать и выбирать наиболее предпочтительные оперативные планы выполнения целевых и обеспечивающих операций и распределения ресурсов в КИС.

4. Разработан прототип унифицированного программного комплекса, обладающего высокой степенью адаптации к различным предметным областям за счт оперирования такими абстрактными объектами, как «процесс», «операция», «поток», «ресурс» и «структура». Эксперименты, проведнные с использованием разработанного прототипа программного комплекса, подтвердили целесообразность использования алгоритма комплексного планирования и распределения ресурсов в КИС. Выявлены закономерности, позволяющие обоснованно осуществлять выбор алгоритма планирования в зависимости от исходных данных модели комплексного оперативного планирования и складывающейся обстановки.

5. Определены перспективные направления применения созданного программноматематического обеспечения. Среди них особое внимание уделено развивающейся технология виртуализации вычислительных платформ. Показана возможность и целесообразность использования вычисляемых динамических приоритетов как при коррекции и перепланировании, так и при реализации построенного ранее плана.

Перспективными направлениями дальнейших диссертационных исследований по рассматриваемой проблематике являются:

1. Постановка и решение задач управления изменяющимися структурами в КИС (управление структурной динамикой).

2. Разработка процедур самоорганизации и адаптации предложенного комплекса моделей, которые позволит учесть, с одной стороны, динамику объектов и подсистем, входящих в состав КИС, с другой – динамику воздействия внешней среды на указанные элементы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Потрясаев С.А. Решение задачи комплексного планирования реконфигурации катастрофоустойчивых систем // Известия Вузов. Приборостроение. – 2006, Т. 49, №11 С. 54 –59.

2. Петрова И.А., Потрясаев С.А., Иконникова А.В., Соколов Б.В. Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования информационной системы // Известия Вузов. Приборостроение.-2008, №11. С.62-68.

3. Зайчик Е.М., Иконникова А.В., Петрова И.А., Потрясаев С.А. Комбинированный алгоритм многокритериального синтеза технологий управления информационной системой виртуального предприятия. Труды института системного анализа РАН.

Поддержка принятия решений. Под ред. А.Б. Петровского. М.: Издательство ЛКИ, 2008. Т. 35. С.8.

В других изданиях:

4. Архипов А.В., Иванов Д.А., Потрясаев А.С., Соколов Б.В. Проблема синтеза логистических цепей в виртуальных предприятиях и возможные пути ее решения // Международная научная школа “Моделирование и анализ безопасности, риска и качества сложных систем” СПб, 22-25 июнь 2004г.: Сборник докладов, СПб, 2004. – С. 226-230.

5. Волков В.Ф., Малюгин К. А., Потрясаев С.А., Соколов Б.В. Принципы, методы, алгоритмы и методики управления структурной динамикой сложных технических систем // V Международная научно-техническая конференция “Кибернетика и технологии XXI века”, май 2004г.: Сборник трудов.- Воронеж, ВГУ, 2004.– С. 13-19.

6. Соколов Б.В., Тарасов О.М., Потрясаев С.А. Методологические и методические основы решения задач управления структурной динамикой сложных технических систем // III Межвузовская конференция по научному программному обеспечению “Практика применения научного программного обеспечения в образовании и научных исследованиях”, Санкт-Петербург, 12 - 15 апреля 2005 г.: Труды конференции/ Изд-во Нестор. – Санкт-Петербург, 2005. – С. 139-148.

7. Соколов Б.В., Зайчик Е.М., Потрясев С.А. Комплексное моделирование мобильных информационных технологий и систем на различных этапах их жизненного цикла // VI Международная научно-техническая конференция “Кибернетика и технологии XXI века”, Воронеж, май 2005г.: Сборник трудов НТК.Воронеж, ВГУ, 2005. – С. 143-153.

8. Григорьев К.Л., Зайчик Е.М., Потрясаев С.А., Соколов Б.В. Обобщнная процедура решения задач структурно-функционального синтеза облика комплексной системы защиты информации в АСУ подвижными объектами // IV Санкт-Петербургская Межрегиональная конференция «Информационная безопасность регионов России»: Труды конференции – СПб, СПОИСУ, 2006.– С. 85.

9. Соколов Б.В., Иконникова А.В., Потрясаев С.А. Комбинированные алгоритмы оценивания устойчивости управления сложными техническими системами // VII Международная научно-техническая конференция “Кибернетика и технологии XXI века”, Воронеж, май 2006г.: Сборник трудов, том.1 - Воронеж, ВГУ, 2006.- С. 75-88.

10. Соколов Б.В., Потрясаев С.А., Иконникова А.В. Постановка и пути решения задачи комплексного планирования реконфигурации катастрофоустойчивых систем // V Международная конференция “Обработка информации и управление в чрезвычайных и экстремальных ситуациях”, 24-26 октября 2006 г., Минск:

ОИПИНАН Беларуси, 2006. – Доклады, том.1. - С. 17-21.

11. Потрясаев С. А. Постановка и пути решения задачи комплексного планирования реконфигурации катастрофоустойчивых систем. Труды СПИИРАН / РАН. С.Петербург. ин-т информатики и автоматизации / Под общ. ред. Р. М. Юсупова. Вып. 3, т. 2. - СПб: Наука, 2006. - 406 с. ISBN 5-02-025122- 12. Соколов Б.В., Зайчик Е.М., Иконникова А.В., Потрясаев С.А. Комплексное планирование модернизации информационных систем: методологические и методические основы // Труды СПИИ РАН, под ред. Р.М. Юсупова – Вып. 3, т.1.СПб: Наука, 2006. – С. 265-278.

13. Potrysaev S., Sokolov B., Yusupov R. Quality and Quantity Estimation and Analysis of Multimodal Systems for Human – Computer Interaction // XI International Conference Speech and Computer, 25-29 June 2006, St. Petersburg, Russia, Proceedings, “Anatolya” Publishers.- pp. 158 – 167.

14. Соколов Б.В., Зайчик Е.М., Потрясаев С.А., Методы оперативного оценивания показателей качества функционирования АСУ подвижными объектами. Системный анализ при создании и применении кораблей, вооружения и военной техники. – Тематический сборник. Выпуск 18. – 212 с.

15. Верзилин Д.Н., Павлов А.Н., Потрясаев С.А., Соколов Б.В. Постановка и возможные пути решения задачи синтеза облика катастрофоустойчивой информационной системы // V Санкт-Петербургская межрегиональная конференция "Информационная безопасность регионов России" (ИБРР-2007), Россия, СанктПетербург, 23-25 мая, 2007 г.: Труды конференции СПОИСУ.-СПб, 2008. С.163-167.

16. Соколов Б.В., Потрясаев С.А., Иконникова А.В., Иванов Д.А.. Модель и алгоритм оперативного перераспределения функций управления между узлами катастрофоустойчивой информационной системы // Международная Научная Школа «Моделирование и Анализ Безопасности и Риска в Сложных Системах (МА БРРФ, г. Санкт-Петербург, 4–8 сентября, 2007: Труды школы. С. 440–445.

17. Потрясаев С.А., Соколов Б.В. Методологические и методические основы организации и проведения комплексного моделирования сложных технических информационные технологии» САИТ-2007 (10-14 сентября 2007 г., Обнинск, Россия): Труды конференции. В 2 т. Т. 1. – М.: Издательство ЛКИ, 2007. – 288 с.

ISBN 978-5-382-00436-5 (Том 1) ISBN 978-5-382-00437- 18. Юсупов Р.М., Соколов Б.В., Охтилев М.Ю., Потрясаев С.А. Модели и алгоритмы комплексного планирования модернизации и функционирования катастрофоустойчивой информационной системы // 13-я Всероссийская конференция «Математические методы распознавания образов», РФ, Ленинградская обл., г. Зеленогорск, 30 сентября–6 октября, 2007: Сборник докладов. С. 634–638.

19. Соколов Б.В., Охтилев М.Ю., Петрова И.А., Потрясаев С.А. Концептуальные и методические основы создания и применения катастрофоустойчивых информационных систем // Доклады 5-й научной конференции "Управление и информационные технологии" (УИТ-2008), Россия, Санкт-Петербург, 14-16 октября, 2008 г. / СПбГЭТУ "ЛЭТИ", СПб, 2008. В 2-х т. Т. 1. С. 159-168.