4 ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Развитие современных информационных технологий объективно привело к необходимости стандартизации проектных решений по созданию автоматизированных информационных систем (АИС). Концепция открытых автоматизированных систем относится к важнейшим глобальным концепциям развития отдельной области информационных технологий в настоящее время. На ее основе начался новый этап в процессе стандартизации информационных технологий, характеризующийся системным подходом к разработке стандартов и их применению.
Основными свойствами открытых автоматизированных систем являются: переносимость и переиспользуемость прикладного программного обеспечения, данных и опыта людей при переходе на более современные информационные технологии; интероперабельность - возможность взаимодействия компонентов распределенной автоматизированной системы посредством обмена информацией и ее совместного использования, взаимодействия с другими АИС; масштабируемость как свойство системы, позволяющее ей работать в широком диапазоне параметров, определяющих технические и ресурсные характеристики системы и поддерживающей среды (технические характеристики аппаратных средств, максимальное число автоматизируемых рабочих мест, количество обрабатываемых транзакций, максимальный объем файлохранилища и т.д.).
В области программной инженерии занимаются многие научные школы. Следует отметить исследования, проводимые в Институте системного программирования РАН, Институте проблем управления, СЦ НИТ МГТУ "Станкин" (г. Москва). В области технологии и качества программных средств и информационных систем занимаются такие известные ученые как В.В. Липаев, П.П. Сыпчук, Э. Крайер, А.В. Гличев, М.Г. Круглов, Г.М. Шишков. Необходимо выделить вклад в решении вопросов создания и повышения эффективности применения автоматизированных систем с приня-
5
тием решений таких ученых, как А.Г. Мамиконов, В.М. Глушков, И.Ю. Юсупов, Э.В. Попов, Д.А. Поспелов, В.А. Виттих. Также необходимо отметить вклад в решение проблем автоматизации проектирования программного обеспечения ученых УГАТУ Н.И. Юсупову, Б.Г. Ильясова, В.Н. Васильева, Г.Г. Куликова, В.П. Житникова, Г.Н. Зверева, В.В. Миронова.
Существующие международные стандарты на эталонную модель окружения (среды) открытых систем (ISO/ШС DTR 14252 ISO/IEC TR 10000-3) и эталонную модель взаимосвязи открытых систем (ISO 7498: 1996) определяют общую методологию проектирования, концепцию функциональности, общие требования к архитектуре систем. Основное содержание стандартов и нормативных документов составляют методы, процессы и технологии обеспечения необходимой функциональности открытых систем. Декомпозиция базовых стандартов включает несколько тысяч рекомендуемых ссылок на структуры вложенных спецификаций и стандартизованных решений, которые содержат описание до нескольких сот (тысяч) страниц машинописного английского технического текста. Таким образом, существующие стандарты на создание открытой системы и ее окружения позволяют построить спецификацию стандартизованных проектных решений от интерфейсов до команд языков программирования для типовых модулей функциональности. При этом полностью отсутствует взаимосвязь между спецификациями стандартизованных проектных решений и программными средствами, которые обеспечивают выполнение этих требований.
На предприятиях (в организациях) особую сложность представляет создание и внедрение системы поддержки принятия решений (СППР), в которой используется разнородная по форме представления и содержанию управленческая информация, поступающая из различных производственных АИС. СППР, обеспечивающая режим реального времени, имеет отличительные особенности от традиционных информационных систем, что связано с детерминированным временем на формирование решений по уровням органи-
6
зационной структуры управления, необходимостью выполнять процедуры согласования решений в границах формализованного информационно-функционального пространства специалистов предметной области, координировать процесс принятия решений через информационные потоки по горизонтальным и вертикальным уровням управления. Создание и внедрение СППР является длительным и трудоемким процессом, что также связано со сложностью обучения как системы так и специалистов, архитектурой, процедур формирования решений. В связи с этим определяются высокие требования к качеству программного обеспечения СППР и ее операционной среды по критериям открытых систем. Операционная среда СППР представляется как единое информационно-функциональное пространство модулей системы, внутренней и внешней базовых платформ, специализированных программных приложений и технологий для реализации сервисов, во взаимосвязи обеспечивающих полноту решаемых задач автоматизации, эффективность функционирования и развития системы.
Большое число и функциональная сложность существующих стандартов, а также многообразие возможных вариантов реализации СППР и ее окружения вызывают необходимость решения многомерной комбинаторной задачи при построении профиля операционной среды, выбора наилучшего варианта из множества альтернатив по заданным критериям в условиях неопределенности и неоднозначности оценки параметров средств реализации сервисов.
Производственные условия эксплуатации и развития СППР и ее окружения накладывают дополнительные требования и ограничения (финансовые, технологические, временные), которые необходимо также учитывать при проектировании профиля операционной среды системы. Для анализа и оценки параметров средств реализации модулей функциональности операционной среды используются экспертные знания специалистов разных направлений в области информационных технологий, которые на практике часто содержат множество трудно выявляемых противоречий. Это вызывает особую трудо-
7
емкость в выявлении и формализации экспертных знаний, используемых для построения профиля операционной среды СППР.
Таким образом, актуальной задачей является автоматизация проектирования профиля операционной среды СППР реального времени и оценки многокритериальных альтернатив его реализации с применением стандартизованных решений и формализованных экспертных знаний.
Решается научная задача создания методов и алгоритмов для анализа и синтеза проектных решений в построении профиля операционной среды СППР для организационного управления производственным процессом и выбора рабочего варианта профиля в условиях промышленной эксплуатации системы.
Тема диссертационной работы связана с выполнением хоздоговорных НИР № ИФ-АС-14 -01-ХГ, ИФ-АС-07-02-ХГ, проводимых в Уфимском государственном авиационном техническом университете.
Цель работы заключается в создании аппарата профилирования и формализованной методики проектирования операционной среды СППР реального времени, алгоритмов и программ анализа и оценки многокритериальных альтернатив реализации и выбора рабочего варианта профиля. Поставленной целью работы определяются следующие задачи исследования:
- выполнить постановку задачи на автоматизированное проектирование профиля операционной среды СППР реального времени в организационном управлении производственным процессом;
построить функциональную модель СППР на основе принципа унификации модулей и структурную модель профиля операционной среды;
построить матрицы оценок многокритериальных альтернатив реализации профиля операционной среды СППР с применением стандартов на эталонную модель открытой системы и экспертных знаний;
8
разработать метод селекции элементов профиля операционной среды СППР на основе стандартизованных решений и формализованных экспертных знаний;
построить решающее правило и реализовать алгоритм для оценки многокритериальных альтернатив формирования и выбора рабочего варианта профиля на заданном множестве критериев и принятых ограничений;
оценить эффективность формализованной методики проектирования профиля операционной среды СППР реального времени.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются программные средства, обеспечивающие реализацию сервисов операционной среды и качество технологических процессов жизненного цикла системы. Предмет исследования - методы и средства автоматизированного проектирования профиля операционной среды СППР реального времени.
Методы исследования. В работе использовались методы имитационного моделирования, структурного анализа и проектирования, теории принятия решений, статистические методы, матричный аппарат математики, методы математического программирования.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов основывается на том, что предложенные модели и алгоритмы базируются на фундаментальных положениях структурного анализа, математического программирования и теории принятия решений. Достоверность результатов также подтверждается их практическим применением в области охраны труда и промышленной безопасности на предприятиях.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических семинарах в Уфимском государственном авиационном техническом университете (2002-2005гг.), Управлении охраны труда Министерства труда, занятости и социальной защиты населения РБ (2004 г.), Московской Академии рынка труда и информационных технологий (2005 г.).
9 На защиту выносятся:
1. Концептуальная модель автоматизированного проектирования профиля операционной среды СПЕР для организационного управления производственным процессом, определяющая базовые множества средств реализации сервисов.
Концептуальная модель автоматизированного проектирования профиля операционной среды СППР для организационного управления производственным процессом определяет структуру и последовательные этапы построения интегрированного информационно-функционального пространства системы.
2. Базовая модель профиля операционной среды СППР, сопряженная с функциональной моделью системы, представляющая обобщенную методику проектирования и принцип построения классификационной схемы профиля.
Базовая модель профиля операционной среды СППР, сопряженная с функциональной моделью системы, представляет требования конформности, сформулированные в общих терминах, и принципы построения классификационной схемы профиля. Функциональная модель СППР реального времени на основе принципа унификации модулей функциональности, что позволяет использовать стандартизованные спецификации и проектные решения.
3. Матричная модель аналитической оценки многокритериальных альтернатив реализации профиля, элементы которой отражают структуру дерева оценочных критериев и правило построения результирующей функции полезности альтернатив.
Матрица оценок многокритериальных альтернатив реализации профиля определяет структуру критериального пространства профиля операционной среды СППР реального времени. Метод селекции элементов профиля позволяет реализовать механизм согласования используемых спецификаций и включения в профиль элементов по заданным критериям.
10
4. Алгоритм выбора рабочего варианта профиля по заданному множеству критериев, сочетающий функциональные свойства классических методов математического программирования и метода селекции элементов профиля.
Алгоритм выбора рабочего варианта профиля реализует решающее правило анализа и оценки многокритериальных альтернатив реализации профиля, обеспечивающее выбор рабочего варианта профиля с максимальной функцией полезности по обобщенным критериям и учетом принятых ограничений.
Научная новизна. Полученные в работе модели и методы составляют методологический базис автоматизированного проектирования операционной среды СППР реального времени.
Впервые предложен подход к проектированию профиля операционной среды системы на основе единого критериального пространства и оценки многокритериальных альтернатив. Методологический базис автоматизированного проектирования профиля обеспечивает достижение заданных критериев на множестве программных средств реализации сервисов и выбор рабочего варианта профиля для промышленной эксплуатации системы.
Разработана базовая модель профиля операционной среды СППР реального времени, которая отражает особенности предметно-ориентированной системы и одновременно включает стандартизованные решения для проектирования по критериям открытых систем.
Матричная модель аналитической оценки многокритериальных альтернатив реализации профиля аккумулирует экспертные знания в области информационных технологий и представляет способ их формализации для построения альтернатив.
Разработан алгоритм оценки и выбора рабочего варианта профиля на основе методов математического программирования и селекции элементов профиля, отличающийся от существующих тем, что обеспечивается адаптивный процесс настройки аппарата профилирования.
11
Практическая значимость работы. Формализованная методика проектирования профиля операционной среды СППР реального времени, построенная с использованием базовых стандартов и стандартизованных решений, позволяет исключить избыточность средств реализации сервисов при одновременном повышении степени интеграции модулей функциональности и качество технологических процессов жизненного цикла системы.
Разработанный аппарат профилирования позволяет в значительной мере достигать критерии эталонной открытой системы для используемых и создаваемых на предприятиях (в организациях) информационных технологий управления, что снижает непроизводственные затраты на достижение преемственности и повторного использования накопленного программно-информационного задела при переходе на более совершенные информационные технологии, интеграцию производственных АИС, эффективное использование вычислительных и информационных ресурсов.
Автоматизированное проектирование профиля операционной среды СППР реального времени повышает эффективность разработки и внедрения сложной системы за счет применения стандартизованных спецификаций и решений, отражающих передовой научно-технический уровень.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается актами внедрения разработанных алгоритмов и формализованной методики в Управлении охраны труда Министерства труда, занятости и социальной защиты населения Республики Башкортостан, а также в учебный процесс Уфимского государственного авиационного технического университета при чтении лекций и проведении лабораторных работ по языкам программирования высокого уровня и информационным технологиям.
12
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОПЕРАЦИОННОЙ СРЕДЫ СППР РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫМ ПРОЦЕССОМ
СППР обеспечивает формирование управляющих воздействий в автоматическом и автоматизированном режимах функционирования в заданном интервале времени, информационную и интеллектуальную поддержку процесса принятия управленческих решений в интерактивном режиме. Она включает подсистемы на основе формализованных знаний специалистов предметной области о поведении объекта управления (ОУ), формализованных знаний и обобщенного опыта организационного управления и поиска эвристических решений с применением методов искусственного интеллекта и математических моделей [1,28,49,56]. В системах реального времени любого типа ("мягкого реального времени", "жесткого реального времени") алгоритмизируется не только величина управляющих воздействий, но и время их реализации, то есть процедуры принятия решений (ППР) ограничены допустимым интервалом времени их выполнения [16].
Операционная среда для эффективного функционирования СППР в организационном управлении производственным процессом включает: проблемно-ориентированные автоматизированные информационные и экспертные системы, обеспечивающие сбор, хранение, обработку и представление информации; специализированные информационные технологии для передачи и обработки данных, защиты данных и программного обеспечения, разграничения прав доступа к информационным ресурсам. Указанные компоненты в функциональной взаимосвязи с подсистемами иерархической СППР составляют интеллектуальную информационную технологию, которая обеспечивает комплексную автоматизацию итерационного процесса принятия решений. Автоматизированное проектирование операционной среды СППР на основе аппарата профилирования заключается в построении функцио-
13
нальных взаимосвязей используемых компонентов интеллектуальной информационной технологии, построении классификации параметров и признаков свойств программных компонентов при заданных ограничениях на технические характеристики компонентов, качественной и количественной оценке их параметров, построении вариантов профиля операционной среды системы и выборе рабочего варианта на заданном критериев.
Автоматизированное управление производственным процессом предприятия, организации связано с обработкой, обобщением и представлением информации в соответствии с иерархическими уровнями организационного управления производственным процессом [5,14,17-19]. На каждом уровне формируется детерминированная и упреждающая реакция СППР на недетерминированный поток событий за допустимое время. Под событием понимается изменение по вероятностным законам текущих значений параметров ОУ, множество которых отображает текущее состояние ОУ по сравнению с эталонной моделью. Операционная среда определяет динамические свойства СППР (чувствительность к изменениям текущего состояния ОУ, точность и быстродействие в обработке информации) и уровень интеллектуальности системы как ее способности автоматически выполнять ППР, обучаться и формировать адекватные управляющие воздействия за допустимое время. Создание и развитие операционной среды СППР связано с обработкой нарастающих по объемам и темпам и разнородных по форме представления и содержанию информационных потоков, необходимостью повышения уровня автоматизации организационного управления производственным процессом.
Организационное управление производственным процессом является дискретным по времени и величине формируемых решений и их реализации. Изменение состояния ОУ носит дискретный, непрерывный или дискретно-непрерывный характер, а случайные отклонения в ОУ рассматриваются как дискретно-непрерывные возмущающие воздействия [9,24,59]. В формализованной среде взаимодействия ОУ и управляющей структуры возникают за-
14
паздывания в получении и обработке информации по подсистемам иерархической СППР из-за несоответствия объема обрабатываемых информационных потоков и пропускной способности функционирующих подсистем в режиме реального времени, отсутствия эффективного взаимодействия компонентов операционной среды по этапам подготовки информации и формирования управленческих решений. В результате снижаются достоверность и точность информации в ПНР, формируются неадекватные управляющие воздействия по горизонтальным и вертикальным уровням иерархической СППР, снижается степень координации процесса управления.
1.1. Механизмы реального времени в организационном управлении производственным процессом
Механизмы реального времени в организационном управлении производственным процессом реализуют детерминированную реакцию автоматизированной системы на недетерминированный поток внешних событий за допустимое время.
Проблема формирования управляющих воздействий в режиме реального времени актуальна в системах "мягкого" реального времени и системах "жесткого" реального времени. Первые используются для автоматизированного управления гражданской обороной, оборонными программами, в оперативно - диспетчерском управлении, организационном управлении производственным процессом [36,39,63]. Системы второго типа применяются, если требуется быстрая детерминированная реакция: для автоматизированного управления транспортными средствами, технологическими процессами, ракетными комплексами [34,40,42]. В системах реального времени (СРВ) любого типа алгоритмизируется не только величина управляющих воздействий, но и время их реализации. СРВ представляют аппаратно-программную среду, в которой обеспечивается детерминированная реакция на недетерминированный поток внешних событий. Под событием понимается изменение по ве-
15
роятностным законам текущих значений параметров ОУ, множество которых отображает состояние ОУ по сравнению с эталонной моделью. Проблема практической реализации детерминированной реакции системы на недетерминированный поток внешних событий актуальна для всех СРВ [64-78,90].
Анализ СРВ показывает, что они предъявляют ряд определяющих требований, которые следует учитывать при их создании и практическом применении. Необходимо, чтобы в условиях внешних случайных воздействий алгоритмы формирования управляющих воздействий выполнялись с заданной точностью за детерминированное время, то есть ППР ограничены допустимым интервалом времени их выполнения. ППР представляют итерационный процесс формирования управляющих воздействий на основе формализованных знаний экспертов и математических методов. Процесс выполнения ППР сопровождается их информационным обеспечением. Это инициализация информационных объектов в пространстве логико-семантического базиса системы, оценка значений их параметров, распознавание и обработка событий, определение допустимого интервала времени для формирования управляющих воздействий [33,50,51].
СППР реального времени реализует аппаратно-программными средствами автоматизированное формирование управляющих воздействий на основе формализованных знаний и опыта, математического и информационного моделирования управляющей деятельности специалистов предметной области. Логико-семантический базис системы составляют математические, алгоритмические, информационная и функциональная системные модели обработки и представления данных в ППР о текущем состоянии ОУ. СППР обеспечивает формирование управляющих воздействий в автоматическом и автоматизированном режимах функционирования в заданном интервале времени, информационную и интеллектуальную поддержку процесса принятия управленческих решений в интерактивном режиме. Она включает подсистемы на основе формализованных знаний специалистов предметной области о
16
поведении ОУ, формализованных знаний и обобщенного опыта организационного управления и поиска эвристических решений с применением методов искусственного интеллекта и математических моделей. Так как в СРВ алгоритмизируется не только величина управляющих воздействий, но и время их реализации, то ПНР ограничены допустимым интервалом времени их выполнения.
СППР реального времени обеспечивает своевременность формирования управленческих решений на последовательных этапах итерационного процесса. Каждому решению предшествует определенное множество действий - функций по информационному сопровождению производственного процесса. Для обеспечения своевременности результирующего решения требуется своевременное выполнение взаимосвязанных функций [84,85].
Алгоритмы функционирования, реализующие механизмы реального времени, являются прогнозируемыми по времени их выполнения и не вызывают недетерминируемых временных задержек, исключают неопределенность в выборе последовательности действий. Средства программной реализации алгоритмов выбираются со спецификой их выполнения в режиме реального времени и внутренней логической структурой.
Особые требования предъявляются также к платформам базы данных и операционной системы, в среде которых выполняются программные приложения СРВ. Операционная система обеспечивает общесистемные механизмы для выполнения программных приложений в режиме реального времени и соответствует всем требованиям, предъявляемым к системам такого класса. Система управления базами данных также поддерживает механизмы реального времени по обработке запросов и ответов, поскольку она является источником информации для модулей реального времени. Сбор и обработка информации в распределенной системе осуществляется с использованием сетевых средств, поэтому необходимо обеспечить детерминированное время доступа к сетевым информационным ресурсам.
17
Механизмы реального времени в организационном управлении производственным процессом реализуются с использованием интеллектуальной информационной технологии в форме СППР, включающей подсистемы программного и адаптивного управления (автоматический режим) и обучения системы (интерактивный режим функционирования).
1.2. Формализованное представление
информационно-функционального пространства СППР
на основе информационных объектов
Построение адекватных системных моделей СППР основано на информационном моделировании организационной структуры управления производственным процессом и ОУ. Информационная и функциональная системные модели СППР отражают многоуровневую структуру преобразования и обобщения управленческой информации.
Рассматривается задача определения информационного и функционального контура СППР при формализации N/P - полных задач принятия решений в организационном управлении производственным процессом. В формализованном виде структура ОУ представляется во взаимодействии с организационной структурой управления. Критерии эффективности СППР:
• максимальное количество автоматически выполняемых ППР;
• минимальное среднее квадратическое отклонение текущих от заданных значений параметров производственного процесса при формировании управляющих воздействий в области допустимых решений;
• минимальное время формирования управляющих воздействий.
В качестве ограничения рассматривается множество функций СППР, которое определяется перечнем формализуемых задач принятия решений в организационном управлении производственным процессом, время формирования управляющих воздействий в условиях функционирования СППР не превышает допустимое. |
