4 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
АРМ — автоматизированное рабочее место
ГИС - геоинформационная система
ИРРВ — ионосферное распространение радиоволн
KB диапазон - коротковолновый диапазон
ЛПР - лицо, принимающее решение
МАИ - метод анализа иерархий
МСИ — межсимвольная интерференция
МПЧ - максимально применимая частота
НИР — научно-исследовательская работа
НПЧ - наименьшая применимая частота
ОмГТУ - Омский Государственный Технический Университет
ОРЧ — оптимальная рабочая частота
ОФ ИМ СО РАН — Омский филиал Института математики
им. С.Л.Соболева СО РАН
САПР — система автоматизированного проектирования
СДВ диапазон - сверхдлинноволновой диапазон
СППР - система поддержки принятия решений
СУБД — система управления базами данных
УКВ диапазон — ультракоротковолновый диапазон
ЭМС - электромагнитная совместимость
CAD - computer automatic design
DSS - decision support system
DMSS — decision-making support system
HTML - hyper-text markup language
IRI - international reference ionosphere
OLAP - on-line analytical processing
SQL - standard query language
5 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Развитие экономики любой страны невозможно без использования средств связи. По-прежнему актуальна коротковолновая (KB) радиосвязь через ионосферу как наиболее дешевый вид радиосвязи на любые расстояния [14]. Многие авторы рассматривают KB связь как альтернативу спутниковых систем связи или дополнение к ним, справедливо отмечая, что при современном уровне развития спутниковых систем стоимость передачи сообщений по KB каналам в сотни раз ниже, чем по спутниковым. Доказана целесообразность комбинирования спутниковых и KB систем. При этом большую часть времени пользователей обеспечивают дешевой связью именно KB радиолинии, и только в специальные моменты используется дорогая спутниковая связь [24, 79].
Все возрастающие возможности использования в составе комплексов связи средств вычислительной техники делают актуальной разработку программного обеспечения, обеспечивающего как полную автоматизацию процесса установки соединений и передачи информации, так и компьютерную поддержку деятельности персонала, организующего работу приемных и передающих радиоцентров и управляющего ею.
Несмотря на большое количество работ [12, 14, 24, 36, 63, 78 и др.], посвященных решению отдельных задач расчета характеристик радиолиний, моделирования среды распространения радиоволн, компьютерного моделирования антенн и устройств систем связи, автоматизированного создания документов, необходимых при организации работы радиолиний, и пр., вопросы системного анализа способов поддержки принятия решений при планировании работы системы связи, разработки единой информационной системы, объединяющей разнородные информационные технологии, до настоящего времени исследованы недостаточно [61].
6
Цель диссертационного исследования:
Комплексное рассмотрение факторов, влияющих на процесс принятия решений при планировании работы сложных систем KB связи, анализ методов решения задач, необходимых для организации работы радиокомплексов, а также создание прототипа системы поддержки принятия решений.
Задачи исследования.
1. Комплексное рассмотрение факторов, влияющих на процесс принятия решений при планировании работы сложных систем KB радиосвязи;
2. Разработка алгоритмов работы СППР и правил принятия решений при организации работы системы KB радиосвязи;
3. Разработка прототипа СППР «RadioNet», реализующего принципы построения модульной, многопользовательской, масштабируемой системы поддержки принятия решений.
к .^4. Повышение эффективности функционирования систем связи KB диапазона путем использования современных информационных технологий на этапе планирования работы данных систем; Методы исследований. Для решения поставленных задач применялся аппарат системного анализа, теории принятия решений, математического и имитационного моделирования, а также теории алгоритмов и языков программирования.
Основные защищаемые положения.
1. Алгоритм для решения задачи принятия решений при планировании работы систем KB связи, позволяющий составлять расписание работы радиоцентра с учетом технических характеристик радиоприемной аппаратуры, условий ионосферного
распространения радиоволн и предпочтений лица принимающего решение (ЛПР).
7
2. Прототип системы компьютерной поддержки принятия решений «RadioNet», реализующий предложенные алгоритмы.
3. Структура построения масштабируемой информационной системы, позволяющей наращивать и изменять функциональность АРМ, путем их создания и настройки без участия разработчиков.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные алгоритмы и принципы построения системы могут использоваться для построения информационных систем, позволяющих добиться большей надежности доставки сообщений в системах KB связи за счет повышения эффективности управления ими, так как дают возможность лицу принимающему решения (ЛПР) использовать современные методы обработки информации и имитационного моделирования в процессе принятия управленческих решений.
Научная новизна заключается в том, что впервые:
• Изложенные в диссертационной работе правила и алгоритмы, оформлены в виде комплекса программ, позволяющего проводить полный цикл действий, необходимых для принятия решения о возможности организации радиолинии при заданных технических, качественных и географических условиях.
• Систематизированы и описаны информационные потоки необходимые при организации масштабируемой информационной системы поддержки принятия решений в рассматриваемой предметной области.
• В рамках одного программного комплекса обоснован и использован обширный спектр информационных технологий, необходимых для поддержки принятия решений в рассматриваемой предметной области.
• Разработан прототип системы поддержки принятия решений, имеющий механизм организации и настройки автоматизированных
рабочих мест из набора специализированных модулей. Это позволяет, соблюдая целостность информационного пространства, разделять имеющийся набор функций СППР между рабочими местами без вмешательства разработчиков, а только лишь путем настройки АРМов опытным пользователем.
Достоверность результатов работы обусловлена использованием в СППР математических моделей, прошедших неоднократную проверку независимыми исследователями, в результате которой была доказана их адекватность результатам эксперимента, а также большим объемом вычислительных экспериментов, проведенных автором с использованием разработанного им инструментария, результаты которых также не противоречат известным закономерностям, характеризующим ионосферное распространение радиоволн и параметры надежности KB радиолиний.
Внедрение. Модули СППР, оформленные в виде самостоятельного программного продукта были внедрены в ФГУП «Омский НИИ приборостроения» (ОНИИП) РАСУ и использовались при выполнении ОКР «Транк-ОНИИП» при решении задач моделирования характеристик распространения радиоволн декаметрового диапазона. (Акт внедрения от 16 октября 2003 года. Приложение №1)
Личный вклад автора заключается в том, что им самостоятельно предложены принципы построения специального программного обеспечения СППР и обработки информации, позволяющие решать поставленные задачи, алгоритмы решения данных задач, программно реализованные в прототипе СППР «RadioNet». Им полностью разработаны структура базы данных и принципы доступа к базе данных с различных АРМ. Предложен и реализован способ интеграции в СППР модулей, разработанных другими авторами. Кроме этого автор принимал активное участие в постановке и обсуждении решаемых задач, апробации полученных результатов и публикации научных работ. За время обучения в аспирантуре принимал участие в работе
9
временных творческих коллективов, работавших при ОФ ИМ СО РАН и ОмГТУ над выполнением НИР «Разработка методики имитации трассовых испытаний КВ-систем передачи дискретных сообщений посредством компьютерного моделирования» и «Исследование возможностей автоматической разработки программ радиосвязи и распределения частотного ресурса»
Основные результаты работы. В соответствии с поставленными целями и задачами в диссертационной работе получены следующие результаты:
1. Создан прототип системы поддержки принятия решений, объединяющий разнородные информационные технологии в единый программный комплекс.
2. Предложен способ организации обмена информацией между модулями системы по технологии клиент-сервер с использованием реляционной базы данных в качестве единого информационного пространства.
3. Объединены в единый программный комплекс разработки сторонних производителей решающих локальные задачи, что позволило расширить набор функций СППР и закончить весь цикл принятия решения.
4. Разработан прототип системы поддержки принятия решений, имеющий механизм организации и настройки автоматизированных рабочих мест из набора специализированных модулей. Это позволяет, соблюдая целостность информационного пространства, разделять имеющийся набор функций СППР между рабочими местами без вмешательства разработчиков, а только лишь путем настройки АРМов опытным пользователем.
10
5. Разработан механизм организации динамически изменяемого интерфейса пользователя, позволяющего адекватно произведенным действиям проводить его по всем этапам принятия решений.
6. Реализовано несколько алгоритмов нахождения переданной информации в принятом сигнале, включая модифицированный алгоритм Кловского-Николаева, а также один из вариантов генетических алгоритмов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации были представлены и докладывались на: III и IV Международной конференции по математическому моделированию и информационным технологиям «YM2002» (Новосибирск, 2002) и «YM2003» (Красноярск, 2003); Всероссийской научной конференции «Физика радиоволн» (Томск, 2002); Международной конференции «Современные проблемы физики и высокие технологии» (Томск, 2003); Всероссийской научной конференции «Под знаком Сигма 2003» (Омск, 2003); Девятой всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-9» (Красноярск, 2003). Кроме того, по теме исследований проводились выступления на семинарах ЛМСС и ЛДО ОФ ИМ СО РАН, а также на заседаниях Ученого Совета ОФ ИМ СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения с ксерокопией акта внедрения. Общий объем диссертации составляет 152 страницы. Библиографический список содержит 89 названий.
11
ГЛАВА 1. КОМПЬЮТЕРНАЯ ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ СИСТЕМ KB СВЯЗИ
1.1. Общие принципы теории принятия решений
Основы теории принятия решений разработаны Джоном фон Нейманом и Отто Моргенштерном [54, 88]. По мере усложнения задач появилось много различных аспектов этого научного направления, которые имеют дело с одной и той же проблемой анализа возможных способов действия с целью нахождения оптимального в данных условиях решения задачи.
Как самостоятельная дисциплина общая теория принятия решений (ТПР) сформировалась в начале 60-х годов XX века, тогда же была сформулирована основная цель этой теории - рационализировать процесс принятия решений. В последующие годы была создана и прикладная теория статистических решений, позволяющая анализировать и решать широкий класс управленческих задач, связанных с ограниченным риском - проблемы выбора, размещения, распределения и т.п.
В настоящее время теория принятия решений применяется преимущественно для анализа тех проблем, которые можно легко и однозначно формализовать, а результаты исследования адекватно интерпретировать. Так, например, методы ТПР используют в самых различных областях управления - при проектировании сложных технических и организационных систем, планировании развития городов, выборе программ развития экономики и энергетики регионов, организации новых экономических зон и т.п. [25, 30, 34, 51]
Необходимость использования подходов и методов ТПР в управлении очевидна: быстрое развитие и усложнение экономических связей, выявление зависимости между отдельными сложными процессами и явлениями, которые раньше казались не связанными друг с другом, приводят к резкому
12
возрастанию трудностей принятия обоснованных решений. Затраты на их осуществление непрерывно увеличиваются, последствия ошибок становятся все серьезнее, а обращение к профессиональному опыту и интуиции не всегда приводит к выбору наилучшей стратегии. Использование методов ТПР позволяет решить эту проблему, причем быстро и с достаточной степенью точности.
В задаче ТПР человек (или группа лиц) сталкивается с необходимостью выбора одного или нескольких альтернативных вариантов решений (действий, планов поведения). Необходимость такого выбора вызвана какой-либо проблемной ситуацией, в которой имеются два состояния: желаемое и действительное, а способов достижения желаемой цели-состояния - не менее двух. Таким образом, у человека в такой ситуации есть некоторая свобода выбора между несколькими альтернативными вариантами. Каждый вариант выбора (выбор альтернативы) приводит к результату, который называется исходом. У человека есть свои представления о достоинствах и недостатках отдельных исходов, свое собственное отношение к ним, а, следовательно, и к вариантам решения. Таким образом, у человека, принимающего решение, есть система предпочтений.
Под принятием решений понимается выбор наиболее предпочтительного решения из множества допустимых альтернатив. При этом процесс принятия решений не является одномоментным актом, а напротив зачастую это достаточно длинный и мучительный процесс. Разделяя точку зрения, высказанную Г. Саймон [89] отметим, что этот процесс можно разделить на три этапа:
• поиск информации;
• поиск и нахождение альтернативных проектов;
• выбор лучшего из них.
13
На первом этапе собирается вся доступная на момент принятия решения информация: фактические данные, мнение экспертов. Там, где это возможно, строятся математические модели, проводятся опросы, определяются взгляды на проблему со стороны активных групп, влияющих на ее решение.
Второй этап связан с определением того, что можно, а что нельзя делать в имеющейся ситуации, то есть с определением вариантов принятия решения.
И уже третий этап включает в себя сравнение технических проектов и выбор наилучшего варианта или вариантов решения.
Из приведенных выше этапов процесса принятия решений наибольшее внимание традиционно уделяется третьему этапу. В современной науке, связанной с практическими задачами принятия решений центральное место занимают многокритериальные задачи выбора, поскольку считается, что учет многих критериев приближает постановку задачи к реальной жизни. Широкая распространенность многокритериальных задач выбора наилучшего варианта из ряда конкурирующих вариантов [44], возможность учесть коллективные предпочтения, пристрастия и интересы активных групп при решении таких задач делают в настоящее время их наиболее практически важным классом задач принятия решений.
Методы принятия решений на основе множества разнородных критериев достаточно многочисленны. Наиболее широкое распространение среди группы аксиоматических методов принятия решений получили декомпозиционные методы принятия решения. Основная идея этой теории состоит в получении количественных оценок полезности возможных исходов, которые являются следствиями процессов принятия решений. Утверждается, с помощью построенной функции полезности можно оценить любое количество альтернатив. Данные методы обладают рядом недостатков. Во-первых, само построение функций полезности является основной и наиболее трудоемкой процедурой методов теории полезности. Во-вторых, в случае многокритериальности ожидаемую полезность невозможно представить
14
единственной количественной характеристикой, т.е. многомерная функция полезности представляется, как функция частных полезностей. В этом случае сложность процедуры построения функции полезности возрастает многократно, т.е. процедура построения функции трудоемка и плохо формализуема. В третьих, методы теории полезности предполагают количественную зависимость между исходами и альтернативами, а также согласованность количественных и качественных характеристик к данному моменту. Все это сильно ограничивает применение методов теории полезности [2].
Осуществляется принятие решений также с использованием метода анализа иерархий (МАИ). В МАИ имеется три метода сравнения альтернатив: парное сравнение, сравнение альтернатив относительно стандартов и сравнение альтернатив копированием.
Метод парных сравнений нашел достаточно широкое применение [32, 46, 76, 81]. Утверждается, что предложенный метод позволяет значительно упростить для эксперта процедуру ранжирования альтернатив. Однако при использовании предложенного метода необходимо следить за организацией экспертизы, а именно: как уже отмечалось, необходима непротиворечивость оценок эксперта [46], отношение согласованности для достоверности решения не должно превышать 0,10 [62]. В противном случае применять метод нельзя по причине нарушения логичности суждений экспертом. Разработаны специальные методы оценки непротиворечивости экспертных суждений. Отмечается, что при использовании метода парных сравнений этот анализ особенно актуален [47]. Еще одним недостатком этого метода является его громоздкость при ранжировании по ряду критериев, а, например, в случае анализа более 9 альтернатив из-за ограничений интеллекта человека построение матриц парных сравнений становится затруднительным [2]. Кроме этого, альтернативы могут поступать эксперту для сравнения не одновременно, а через промежутки времени, и в данной ситуации не представляется возможным попарно сравнить объекты.
15
Сложность методов сравнения объектов относительно стандартов и методов копирования заключается в наличии нескольких стандартов для каждого критерия альтернатив. Необходимо устанавливать относительную степень предпочтения каждого стандарта.
В основу метода анализа иерархий и метода отношений предпочтения заложен рационально - взвешенный подход основанный на парных сравнениях объектов и нормированных весовых коэффициентах [2]. Недостатки метода парного сравнения уже указывались.
Существует ряд методов принятия решений на основе теории нечетких множеств: многокритериальный выбор альтернатив на основе пересечения нечетких множеств, аддитивной свертки, лингвистических векторных оценок и др. Рассмотрим их подробнее.
Максиминная свертка и лингвистическая векторная оценка являются реализациями пессимистического подхода, который игнорирует хорошие стороны альтернатив, когда лучшей считается альтернатива, имеющая минимальные недостатки по всем критериям. Аддитивная свертка предполагает оптимистический подход, когда низкие оценки по критериям имеют одинаковый статус по сравнению с высокими. Нечеткий вывод на правилах реализует эвристический подход.
Существуют дополнительные проблемы, связанные с оценкой привлекательности технических проектов по многим критериям. Например, несмотря на существование коллегий, правлений и советов, обычно есть центральная фигура - лицо принимающее решение (ЛПР), определяющая курс, тактику и стратегию действий на предстоящий период. Поскольку при любом способе постановки задачи обоснование её решения по нескольким показателям считается не до конца формализованной, и окончательный выбор решения до сих пор осуществляется волевым актом ЛПР [44, 75].
Кроме того, поскольку каждый альтернативный технический проект характеризуется рядом параметров (критериев), задача принятия решений
16
существенно усложняется. При небольшом количестве критериев (два, три) задача сравнения, например, двух проектов достаточно проста и прозрачна, а при большем количестве критериев задача становится малообозримой [44].
К проблемам, возникающим при решении задач подобного рода можно отнести также и то, что хотя специалисты всегда понимали, что для принятия решений о привлекательности технического проекта невозможно ограничиться только количественными данными, но, тем не менее, до сих пор основное внимание сконцентрировано на анализе количественных характеристик [46].
Как правило, в наиболее сложных ситуациях прибегают к помощи экспертов, то есть, ЛПР все больше приходится полагаться на знания и советы различных специалистов, которые, как правило, не имеют с ним прямых контактов и никогда не считались частью управленческого аппарата. Таким образом, в обмен на более ёмкую входную информацию и анализ последствий ЛПР упускает контроль за важнейшими составляющими процесса принятия решений. Дело может дойти до полного отказа руководства от контроля за принятием решений [3].
Чтобы этого не произошло, руководство предприятий должно выработать и совершенствовать умение использовать экспертные знания и оценки. Но так как достичь уровня знаний в различных областях деятельности лицу, принимающему решение, не уступающего уровню знаний узких специалистов, очевидно, невозможно, то необходимо научиться оценивать вклад специалиста, даже не будучи в состоянии до конца разобраться в сути проблемы. Приводятся отдельные рекомендации [2, 3, 44, 46] по использованию экспертных знаний, например:
1) опытные управляющие, работающие с техническими специалистами и учеными, должны давать конкретную оценку этим экспертам, основываясь на результатах контроля прогнозов специалистов и сопоставления их с фактическими данными;
17
2) при принятии ответственных решений необходимо использовать мнение большого числа экспертов;
3) использовать для присвоения экспертам весов иерархическую структуру критериев оценки экспертов, как-то: порядочность, независимость суждений и пр.
Привлекая экспертов, также необходимо иметь в виду [55], что эксперт при проведении оценок вольно или невольно учитывает не оговоренные в статусе экспертизы признаки. Тем самым в процесс принятия решения вносится дополнительная субъективная составляющая, связанная с мнением эксперта.
Таким образом, привлечение экспертов может стать более эффективным либо при условии превращения ЛПР в эксперта по использованию экспертов [3], либо при существовании возможности получения объективных оценок квалификации экспертов. В современной научной литературе приводится ряд методов получения квалификационных весов экспертов, однако, утверждается [47], что не существует практики единой общепризнанной оценки качества эксперта.
Все эти классификации верны, но охватывают неравноценные области проблем, многие из дисциплин перекрывают друг друга по постановке задач и методам решения. Помимо этого в современных научных публикациях наблюдается терминологическая путаница относительно термина «Система поддержки принятия решений». Внося ясность в трактовку данного понятия, следует учитывать возможности использования компьютера для помощи ЛПР в процессе анализа вариантов и принятия окончательного решения.
1.2. Трактовки понятия «Система поддержки принятия решений»
Любая система поддержки принятия решений (СППР) является, прежде всего, средством автоматизации процесса сбора необходимых для принятия решения данных, их обработки и использования результатов анализа |
