Теоретические основы управления структурной динамикой сложных технических систем

Соколов Б.В.

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН,199178, Санкт-Петербург, 14-я линия В.О., д.39

E-mail: sokol@iias.spb.su, )

Одной из основных особенностей любой сложной организационно-технической системы (СТС) является то, что ее параметры и структуры на различных этапах жизненного цикла изменяются под действием объективных и субъективных причин. Другими словами, на практике мы сталкиваемся постоянно со структурной динамикой СТС. На рис. 1 представлены возможные варианты структурной динамики СТС. На данном рисунке приняты следующие условные обозначения:

-к-ое структурное макросостояние СТС, S ^j_т , S ^j_ф , S ^j_тех , S ^j_м , S ^j_и, S ^j_ор - состояние топологической, функциональной, технической структур, состояние структур программно-математического и информационного обеспечения, состояние организационной структуры. В этих условиях для повышения (сохранения) требуемого уровня работоспособности и возможностей СТС, либо обеспечения наилучших условий их функционирования при деградации указанных систем необходимо осуществлять управление структурами СТС (в том числе управление реконфигурацией структур СТС). При этом под управлением структурной динамикой мы будем понимать процессы формирования и реализации управляющих воздействий, обеспечивающих переход СТС из текущего в заданное (синтезируемое) многоструктурное макросостояние.

В настоящее время существуют различные варианты управления структурной динамикой СТС [1-4]. Среди них можно выделить, в первую очередь: изменение способов, целей функционирования СТС, их содержания, последовательности выполнения в различных условиях; перемещение в пространстве отдельных элементов и подсистем СТС; перераспределение и децентрализация функций, задач, алгоритмов управления, информационных потоков между уровнями СТС; использование гибких (сокращенных) технологий управления СТС; реконфигурация структур СТС при их деградации.

Решение проблемы управления структурной динамикой СТС предполагает исследование следующих классов задач: задачи анализа структурной динамики СТС, задачи оценивания (наблюдения) структурных состояний и структурной динамики СТС, задачи синтеза оптимальных технологий и программ управления структурной динамикой СТС в различных условиях обстановки (в том числе синтеза технологий мониторинга состояний СТС и ее основных элементов – сложных технических объектов).

Задачи управления структурной динамикой СТС по своему содержанию относятся к классу задач структурно-функционального синтеза облика СТС и формирования соответствующих программ управления их развитием. Главная трудность и особенность решения задач рассматриваемого класса состоит в следующем. Определение оптимальных программ управления основными элементами и подсистемами СТС может быть выполнено лишь после того, как будет известен перечень функций и алгоритмов обработки информации и управления, который должен быть реализован в указанных элементах и подсистемах. В свою очередь, распределение функций и алгоритмов по элементам и подсистемам СТС зависит от структуры и параметров законов управления данными элементами и подсистемами. Трудность разрешения данной противоречивой ситуации усугубляется ещё и тем, что под действием различных причин во времени изменяется состав и структура СТС на различных этапах ее жизненного цикла. Кроме того, процессы управления структурной динамикой СТС реализуются, как правило, в условиях принципиально неустранимых информационных и временных ограничений, связанных с неполнотой, неопределенностью, неточностью и противоречивостью как исходной данных, так и той информации, которая поступает (формируется) в ходе функционирования рассматриваемых систем. К настоящему времени рассматриваемый класс задач структурно-функционального синтеза и управления развитием СТС исследован недостаточно глубоко. Получены новые научные и практические результаты в рамках следующих направлений исследований [2-4]: – синтез технической структуры СТС при известных законах функционирования основных элементов и подсистем СТС (1 направление исследований); – синтез функциональной структуры СТС или, по-другому, синтез программ управления основными элементами и подсистемами СТС при известной технической структуре СТС (2 направление исследований); – синтез программ создания и развития новых поколений СТС без учёта этапа совместного функционирования существующей СТС и внедряемой СТС (3 направление исследований); – одновременный многоструктурный синтез СТС на различных этапах их жизненного цикла (4 направление исследований).

Известен ряд итерационных процедур получения совместного решения задач, исследования которых проводятся в рамках 1 и 2 направлений. В целом все существующие модели и методы структурно-функционального синтеза облика СТС и формирования программ их развития используются на этапах внешнего и внутреннего проектирования облика СТС, т.е. тогда, когда фактор времени не является существенным. Четвертое направление исследований, к сожалению, в наименьшей степени теоретически проработано. В настоящее время существует большое количество частных моделей, методов, алгоритмов и методик, описывающих лишь отдельные аспекты проблемы многоструктурный синтез СТС. Это связано, прежде всего, с недостаточной проработкой вопросов формального описания рассматриваемой предметной области.

Поэтому в современных условиях весьма актуальной становится разработка теории управления структурной динамикой СТС, которая позволит с единых управленческих позиций подойти к решению проблемы многоструктурного синтеза СТС (в том числе и СУ СТС) на различных этапах их жизненного цикла. С нашей точки зрения данная теория должна формироваться в рамках междисциплинарной отрасли научных знаний и основываться на результатах, полученных к настоящему времени в классической теории управления, в исследовании операций, в искусственном интеллекте, в теории систем и системном анализе. Два последних научный направления позволят в дальнейшем осуществить корректно переход от слабоструктурированной к структурированной постановке задач управления структурной динамикой СТС. В качестве базовых принципов, положенных в основу разрабатываемой теории, были выбраны принципы полимодельности и многокритериальности, которые использовались при комплексном описании и исследовании задач анализа и синтеза интеллектуальных информационных технологий мониторинга и управления структурной динамикой СТС. Формализацию данных процессов, целесообразно осуществлять на основе структурно-математического и категорийно- функторных подходов, разрабатываемых в современной математике. Проведенный анализ показал, что, базируясь на математических структурах порядка, топологических и алгебраических структурах удается с единых позиций подойти к решению рассматриваемых в монографии проблем

В докладе анализируется состояние исследований по каждому из перечисленных направлений, обосновывается необходимость разработки теоретических основ управления структурной динамикой СТС. С нашей точки зрения данная теория должна иметь междисциплинарный характер и основываться на результатах, полученных в классической теории управления, в исследовании операций, в искусственном интеллекте, в теории систем и системном анализе. Два последних научных направления позволят в дальнейшем осуществлять корректно переход от слабоструктурированной к структурированной постановке задач управления структурной динамикой. В докладе рассматриваются методологические и методические основы данной теории, реализованные на практике прикладные результаты.

Основное отличие и достоинство разработанного к настоящему времени комплекса динамических макро- и микромоделей от ранее созданных и описывающих рассматриваемую предметную область состоит в том, что с их помощью можно решать не только задачи анализа жизненных циклов СТС, но и одновременно решать задачи адаптивного многокритериального выбора как облика данных систем, так и программ их модернизации и функционирования в различных условиях обстановки. При этом предлагаемая автором динамическая интерпретация происходящих процессов позволяет непосредственно (в аналитическом виде) связывать потоковые динамические модели (модели системной динамики) с динамическими моделями распределению не складируемых (складируемых) ресурсов на сетях с перестраиваемой структурой. При данном подходе к организации и проведению комплексного моделирования удается провести формализацию и исследование нового класса прикладных задач, а именно, задач управления структурной динамикой социотехнических объектов, возникающих в различных предметных областях (экономике, бизнесе, информатике и т.д.). Применение предлагаемых динамических моделей, как показывает предварительный анализ, позволит [1-4]:

- широко использовать в ходе моделирования СТС фундаментальные научные результаты, полученные к настоящему времени в современной теории управления сложными динамическими системами с перестраиваемой структурой;

- существенно сократить размерность задач управления структурной динамикой (УСД) СТС, решаемых в каждый момент времени (за счёт рекуррентного описания моделей);

- достаточно конструктивно проводить согласование и взаимную интерпретацию результатов, полученных на аналитических и имитационных моделях УСД СТС как на концептуальном, так и на алгоритмическом, информационном, программном уровнях описания;

- обоснованно подходить к выбору временных интервалов работы элементов и подсистем, входящих в состав СТС;

- существенно сократить затраты оперативной памяти ЭВМ, повысить оперативность решения задач УСД СТС при использовании перспективных гибридных вычислительных систем, позволяющих проводить декомпозицию и распараллеливание вычислительного процесса, проводить поиск программ управления модернизацией и функционированием ИС в оверлейных режимах.

Результаты исследований, представленные в данном докладе, проводились и, в настоящее время, проводятся при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (гранты 02-07-90463, 05-07-90088), Отделения Информационных Технологий и Вычислительных Систем РАН (проект №О-2.5/03), проектов зарубежных партнеров: МНТЦ (Project #1992p), CRDF Project #RUM2-1554-ST-05.

Список литературы

Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов.- М.: Наука, 2006 г.- 410 с.
Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Концептуальные основы оценивания и анализа качества моделей и полимодельных комплексов // Теория и системы управления. – 2004. №6. С.5–16.
Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Комплексное моделирование рисков при выработке управленческих решений в сложных организационно-технических системах // Проблемы управления и информатики. 2006. №1, №2. С39–59.
Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Концептуальная и теоретико-множественная модель управления структурной динамикой космических средств // Мехатроника, автоматизация, управление. 2003. №5. С.17–25.

Варианты многоструктурных состояний Типы структур	j-й уровень СТС		Графики изменения структурных состояний СТС
Варианты многоструктурных состояний Типы структур		...
Топологическая структура		...
Технологическая структура		...
Техническая структура		...
Структура программно–математического обеспечения		...
Структура информационного обеспечения		...
Организационная структура		...