С.-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН, С.-Петербург, 14 линия ВО, 39, СПИИ РАН, СПИИ РАН 1 Доктор технических наук, профессор Соколов. - презентация

1 С.-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН, С.-Петербург, 14 линия ВО, 39, СПИИ РАН, СПИИ РАН 1 Доктор технических наук, профессор Соколов Б.В. Основы управления сложными организационно-техническими системами

2 СПИИ РАН 2 КИБЕРНЕТИКА Н.Винер (1948). Наука об управлении и связи в животном и машине А.И.Берг (1959) - Представляет собой теоретическую основу изучения процессов управления и строения управляющих систем (1959) - Наука о целеустремленном управлении развивающимися процессами. Содержание кибернетики заключается в сборе, переработке и передачи информации с целью улучшения управления для достижения поставленной задачи (1964) - Наука об оптимальном управлении Энциклопедия кибернетики (1974). Наука об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах

3 СПИИ РАН 3 ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КЛАССИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ Доказано, что важнейшим атрибутом любой системы (биологической, технической, социальной и т.п.) являются механизмы управления, поддерживающие систему в целостном состоянии и обеспечивающие целесообразное ее поведение в пространстве и времени; Доказано, что управление в системе любой природы есть целенаправленный процесс, предполагающий наличие вполне определенной цели; Доказано, что управление в системе любой природы есть информационный процесс, заключающийся в сборе, передаче и переработке информации; Доказано, что регулярное и целенаправленное управление возможно только в замкнутом контуре, состоящем из управляющих и управляемых объектов, соединенных между собой прямыми и обратными линиями (цепями) связи; Доказано, что управление есть циклический процесс, а само управление должно быть оптимальным Кибернетика свела все ранее существовавшие взгляды на процессы управления в единую систему и доказала ее полноту и всеобщность, она предметно продемонстрировала повышенную мощность системного подхода к решению сложных проблем Вместе с тем, объявленная кибернетикой всеобщность рассмотренных выше положений, принявших характер законов, остается пока преимущественно декларацией, слабо подтвержденной конструктивным обоснованием именно ее всеобщности ( это касается, прежде всего, социально-экономических систем)

4 СПИИ РАН 4 НЕОБХОДИМОСТЬ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ КИБЕРНЕТИКИ Особенности современных объектов управления: повышенная сложность и размерность, избыточность, многофункциональность, распределенность, унификация, однородность основных элементов, подсистем и связей; структурная динамика, нелинейность и непредсказуемость поведения; иерархически-сетевая структура; неравновесность, неопределенность от вмешательства и выбора наблюдателя; постоянное изменение правил и технологий функционирования, изменение правил изменения технологий и самих правил функционирования; наличие как контуров отрицательной, так и положительной обратной связи, приводящих к режимам самовозбуждения (режимам с обострением); наряду с детерминированным и стохастичным поведением, возможно хаотическое поведение; ни один элемент не обладает полной информацией о системе в целом; избирательная чувствительность на входные воздействия (динамическая робастность и адаптация) время реагирования на изменения, вызванные возмущающими воздействиями, оказывается больше, чем время проявления последствий этих изменений, чем интервал между этими изменениями; абсолютную полноту и достоверность информации описания реального объекта получить принципиально невозможно в соответствии с пределом Бремерманна и теоремой Геделя..

5 СПИИ РАН 5 ЭВОЛЮЦИЯ КИБЕРНЕТИКИ 1. Second cybernetics – кибернетика второго порядка – КВП М.Марума (1963). КВП рассматривает контуры положительной обратной связи для усиления полезных возмущающих воздействий и флуктуаций. Модель КВП более правдоподобно объясняет природу процессов, обучения, адаптации, социальных взаимодействий. Х.Фёрстер (1974). КПП – кибернетика наблюдаемых систем. КВП – кибернетика наблюдения, включающая наблюдателя. КВП изучает взаимодействие между наблюдателем и тем, что наблюдается, и ориентирована на сложные и живые системы, причем не столько на управление, сколько на познание процессов развития и нарастания биологической и социальной сложности.

6 СПИИ РАН 6 ЭВОЛЮЦИЯ КИБЕРНЕТИКИ (продолжение ) 2.Редько В.Г. и др. (с 1993 г.). Эволюционная кибернетика – изучает кибернетические свойства живых систем и принципы, методы и модели обработки информации в них. 3.Фрадков А.Л. (с 1998 г.). Кибернетическая физика – исследование физических систем кибернетическими методами. 4.Юсупов Р.М. ( ). Геофизическая кибернетика – теоретические основы управления объектами неживой природы (геофизики).

7 СПИИ РАН 7 Неокибернетика междисциплинарная наука, ориентированная на разработку методологии постановки и решения проблем анализа и синтеза интеллектуальных процессов и систем управления сложными объектами произвольной природы; неокибернетика это кибернетика II порядка, исследующая системы управления, обладающие свойством избирательности и операциональной замкнутости, а также способностью моделировать среду и себя в ней (кибернетика наблюдения, включающего и самого наблюдателя).

8 СПИИ РАН 8 ИСХОДНОЕ ПОНИМАНИЕ ИНФОРМАТИКИ «ИНФОРМАТИКА – научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности всех процессов научной коммуникации» (Энциклопедия кибернетики, 1974; Словарь по кибернетике, 1979)

9 СПИИ РАН 9 ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИКИ Наука о преобразовании информации, которая базируется на вычислительной технике. Предметом информатики является вычислительная технология как социально-исторический феномен…состав информатики – это три неразрывно и существенно связанные составные части: технические средства, программные и алгоритмические (Дородницин А.А.). Некая синтетическая дисциплина, которая включает в себя разработку новой технологии научных исследований и проектирования, основанное на использовании ЭВТ, и несколько крупных научных дисциплин, связанных с проблемой общения с машиной, и наконец, с созданием машины (Моисеев Н.Н.). Комплексная научная и технологическая дисциплина, которая изучает, прежде всего, важнейшие аспекты разработки, проектирования, создания, встраивания машинных систем обработки данных, а также их воздействия на жизнь общества (Михалевич В.С.). Фундаментальная естественная наука, изучающая процессы передачи и обработки информации (Ершов А.П.). Наука о проблемах обработки различных видов информации, создании новых высокоэффективных ЭВМ, позволяющая предоставлять человеку широкий спектр различных информационных ресурсов (Якубайтис Э.А.). Информатика (наука об инфокоммуникациях) – наука, которая изучает, как преобразуется, репрезентируется (представляется), хранится и воспроизводится информация, а также как она передается и используется (Кузнецов Н.А.). Информатика – научное направление, являющееся составной частью кибернетики, основные задачи которого заключаются в изучении информационных потребностей общества и разработке путей, средств и методов наиболее рационального их удовлетворения (Герасименко В.А.). Наука об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях (Французская Академия наук). Наука, техника и применение машинной обработки, хранения и передачи информации (М.Брой, Германия).

10 СПИИ РАН 10 1 Информация 2 Информационные процессы Информационные технологии Информатизация Аппаратное обеспечение (hardware) Математическое и программное обеспечение (brain-software) Организационно- методическое обеспечение (orgware) 4 Методы, модели, алгоритмы, программное обеспечение 3 Вычислительная техника, микроэлектроника, средства связи и телекоммуникаций, оргтехника 5 Создание технической документации, кадровое обеспечение, управление и сопровождение разработок и т.д. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СТРУКТУРА ИНФОРМАТИКИ Теоретические основы информатики 1 статистическая теория информации философские аспекты качественная теория информации криптография теория информационных процессов теоретические основы вычислительной техники базы данных теория связи теория моделирования теория языков программирования теория алгоритмов теория программирования числовые и символьные вычисления искусственный интеллект многоагентные системы теория синтеза организационных структур методы управления разработками и программами

11 СПИИ РАН 11 ИНФОРМАТИКА – наука о методах и средствах сбора, хранения, передачи, представления, обработки и защиты информации

12 СПИИ РАН 12 РАЗВИВАЮЩИЕСЯ РАЗДЕЛЫ ИНФОРМАТИКИ: извлечение знаний из данных; машинное обучение; многоагентные системы компьютерное зрение; речевая информатика; стеганография и стеганоанализ; интеллектуальные сенсорные сети; защита компьютерных сетей; новые технологии компьютерного моделирования и супервычислений биометрия и т.д. и т.п.

13 СПИИ РАН 13 ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ «БЛИЗОСТИ» ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ Информатика развивалась в недрах кибернетики, практически на единой технической базе – вычислительная техника и средства связи и передачи данных (кибернетика-теория управления- информационные процессы-информатика- кибернетические машины (ЭВМ)) Основным объектом исследования в кибернетике является управление. Управление – в значительной мере информационный процесс. Поэтому кибернетика объективно была вынуждена заниматься вопросами сбора, обработки, хранения и передачи информации

14 СПИИ РАН 14 «Информатика – кибернетика на современном этапе» (Бирюков Б.В., 1989) «… совокупность научных направлений, называемых теперь информатикой, именовалась по разному. Сначала объединяющим названием был термин «кибернетика», затем на роль общего названия той же области исследований стала претендовать «прикладная математика» … Поэтому, говоря об истории информатики в бывшем СССР и теперешней России, по сути, надо излагать историю отечественной кибернетики и частично прикладной математики и вычислительной техники» ( Поспелов Д.А. «Становление информатики в России», 1998)

15 СПИИ РАН 15 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИБЕРНЕТИКИ И ИНФОРМАТИКИ КИБЕРНЕТИКАИНФОРМАТИКА ОпределениеНаука об общих законах и закономерностях управления и связи в сложных системах различной природы Наука об информации, методах и средствах обработки, хранения, передачи, представления и защиты информации Объект исследованияУправление, процессы управления Информация, информационные процессы Предмет исследованияСистемы и технологии управления Информационные системы и технологии Основные понятияУправление, процессы управления, система управления, обратная связь, модель, информация, технология управления … Информация, информационные процессы, системы, технологии, каналы связи и передачи данных, модель … Основная прикладная задача Анализы и синтез технологий и систем управления Создание информационных технологий и информационных систем

16 СПИИ РАН 16 ИНТЕГРАЦИЯ ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ – адаптивные компьютерные системы; – проактивные компьютерные системы; – адаптивные предприятия; – киберпространство; – киберпреступление и т.д. ИНФОРМАТИКА КИБЕРНЕТИКА –информационное управление; –интеллектуальное управление (ситуационные, нейроуправление, многоагентное, управление на основе эволюционных алгоритмов, основанное на знаниях); –программная кибернетика и т.д.

17 СПИИ РАН 17 ИНФОРМАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ Под информационным управлением понимается процесс выработки и реализации управленческих решений в ситуации, когда управляющее воздействие носит неявный, косвенный характер, и объекту управления представляется определяемая субъектом управления информация о ситуации (информационная картина), ориентируясь на которую этот объект как бы самостоятельно выбирает линию своего поведения

18 СПИИ РАН 18 АДАПТИВНЫЕ И ПРОАКТИВНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ (proactive computing) Адаптивные и проактивные компьютерные (proactive computing) системы призваны для решения проблем, ограничивающих развитие ИКТ на современном этапе, в частности за счет придания системам таких адаптационных способностей, как самоконтроль, самовосстановление, самоконфигурирование, самооптимизация, самообслуживание, самоорганизация. Свойства проактивных систем расширяют наши представления о применении компьютеров за счет необходимости мониторинга окружающей среды (мира) и влияния на него. Одна из основных задач адаптивных систем и адаптивного управления – приспосабливаться к требованиям бизнеса. IBM, HP, Sun, Microsoft, Intel …

19 СПИИ РАН 19 ПРОГРАММНАЯ КИБЕРНЕТИКА Первый семинар по программной кибернетики – 2004 г., Гонконг, 28-я Международная конференция по ПО Основная идея программной кибернетики – более тесно и формализованно объединить процессы создания и функционирования ПО с управлением и дать ответы на вопросы типа: как формализовать механизмы обратной связи в программных процессах и системах, как ввести в них соответствующие меры; как интегрировать программную инженерию с инженерией управления; как адаптировать принципы теории управления (кибернетики) к программным процессам и системам и т.д.

20 СПИИ РАН 20 ИНТЕГРАЦИЯ ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ 1.Предварительный отчет – рекомендация для рамочной программы РП-7 «Исследование по системам управления в Европе» (2005). 2.К.Острем. Доклад «Present Development in Control Applications» юбилейное заседание ИФАК (Хайдельберг, сентября 2006 г.); 1-я Российская мультиконференция по проблемам управления (Санкт-Петербург, октября 2006 г.). C 3 =control+communication+computing. 3.Р.М.Юсупов «К 90-летию академика Е.П.Попова (Информационно-управляющие системы, 1, 2005 ) КИБЕРНЕТИКА + ИНФОРМАТИКА = НЕОКИБЕРНЕТИКА Computing Control Physics Biology Mathema tics Communi cation C 3 BMP

21 СПИИ РАН 21 Определение статической и динамической моделей С т а т и ч е с к а я модель описывает связь между компонентами состояний или между этими компонентами и другими характеристиками системы в условиях равновесия и других условиях «замораживания» изменения состояния. Д и н а м и ч е с к о й называется модель, в которой в той или иной форме раскрываются причинно- следственные связи (реализуется принцип причинности), определяющие развивающийся во времени процесс перехода системы из одного состояния в другое.

22 СПИИ РАН 22 Первое условие принципа причинности Упорядоченность причинно-следственных связей во времени. Это означает, что состояние и выходная ситуация (выход) системы в любой момент времени не зависит от ситуаций, которые могут возникнуть на входном полюсе системы в более поздние моменты времени. НастоящееБудущее

23 СПИИ РАН 23 Второе условие принципа причинности Однозначность причинно-следственных связей. Это означает, что состояние и выходная ситуация (выход) системы в любой момент времени в будущем может быть определена совершенно точно (однозначно), если точно известны: все сведения о системе, характеризующие ее, и воздействие на нее среды в прошлом и настоящем; входное воздействие на систему в будущем. Состояние системы в текущий момент времени Входное воздействие Состояние и выход в будущем ОДНОЗНАЧНОСТЬ

24 СПИИ РАН 24 Динамическая система Первая часть этого принципа эквивалента утверждению о том, что будущее системы не влияет на прошлое и констатирует необратимость явлений во времени. Вторая часть данного принципа отражает принципиальную познаваемость причинно-следственных связей в системе и возможность точного предсказания выхода системы при наличии необходимой информации. Таким образом, система, удовлетворяющая принципу причинности, является д и н а м и ч е с к о й системой.

25 СПИИ РАН 25 Кинематическая модель К и н е м а т и ч е с к о й моделью называется модель динамической системы, описывающая изменение состояния как функции времени и не раскрывающая причинно-следственные связи, вызывающие это изменение. Блок состояния Блок выхода X Y Управляющая подсистема U Объект управления (ДС) Динамическая система (ДС) задается с использованием 4-х основных (базисных) множеств: X, Y, V, T и 2-х отображений: φ, ψ. ДС= - классическая ДС. X – множество состояний ДС; Y – множество выходов ДС; U – множество управляющих воздействий; – множество возмущающих воздействий; Т – множество моментов времени; V = U – множество входных воздействий; φ: X V T X – переходное отображение; ψ : X V T Y – выходное отображение.

26 СПИИ РАН 26 Расширенная схема кинематической модели Динамическая система (ДС) задается с использованием 4-х основных (базисных) множеств: T, X, V, Y и 2-х отображений: φ, ψ. При этом - вектор состояния; - вектор выхода; - вектор управляющих воздействий; - преобразованный вектор управляющих воздействий; - вектор целей; - оценка вектора [измеряемых параметров] выхода; - оценка вектора состояния; - вектор возмущающих воздействий. Измерительные средства Блок состо- яния Блок выхода U Объект управления ПСНПСУ Исполнительные органы управления Управляющая подсистема

27 СПИИ РАН 27 Динамическая система Каждое из множеств X, V, Y может быть в свою очередь конечным, счетным, континуальным, превышающим мощность континуума; множество T может быть континуальным и дискретным (счетным либо конечным). Обобщенное описание ДС позволяет, анализируя свойства множеств и отображений: образовывать различные конкретные частные классы моделей ДС; устанавливать взаимосвязи между указанными классами; организовывать многомодельные исследования реально протекающих процессов.

28 СПИИ РАН 28 Основные классы задач теории управления ДС (ТУ ДС) (детерминированный вариант задания исходных данных) Элементы ДС Классы задач ТУ ДС UXY Задачи анализа ++ ? Задачи наблюдения (мониторинга) + ? + Задачи управления ? ++

29 СПИИ РАН 29 Примеры динамических систем Конечномерные дифференциальные динамические системы (КДДС) X, V, Y – представляет собой конечномерные пространства T(t 0,t f ] 1 ; Нестационарная линейная ДДС (НЛДДС) Стационарная линейная ДДС (СЛДДС) Билинейная КДДС

30 СПИИ РАН 30 Конечные автоматы (1) Рассмотрим частный случай ДС конечные автоматы (КА) (конечные ДС). В общем случае КА задаются на 3-х основных множествах с использованием 2-х отображений вида: φ: X V T X ψ : X V T Y Будем рассматривать детерминированные КА (возмущающее воздействие отсутствует = ). Тогда X={x 1,…,x n }, Y={y 1,…,y n }, U={u 1,…,u n } конечные множества. Функционирование КА интерпретируется как переходы КА из состояния t 0, t 1, t 2,…, имеющие нумерацию 0, 1, 2. В этом случае, базисное множество T={t 0, t 1, t 2,…} представляется в виде счетного множества вида T={0, 1, 2,…}. КА является ДС со счетным множеством моментов времени и относится к классу ДС с дискретным временем. Если интервалы между последовательными тактами равны, говорят о синхронной конечной ДС, в противном случае об асинхронной. : X V T X : X V T Y Из анализа выражений следует, что переходная функция сопоставляет каждой паре символов ( ) символ текущего состояния.

31 СПИИ РАН 31 Конечные автоматы (2) Автомат 1 рода несдвинутая выходная ф-ция Автомат 2 рода сдвинутая выходная ф-ция Возможен вариант задания автомата, когда выходная функция имеет вид: : X Y автомат типа «вход-выход» или автомат Мура 2-го рода. Иногда при определении автомата рассматривают не пятерку, а шестерку где x 0 =a i X начальное состояние автомата. Наиболее часто встречаются 5 основных способа задания КА: задание КА табличный способ задания КА, задание КА с помощью орпсевдографов, задание КА с помощью специальных булевых матриц, задание КА с помощью специальных грамматик, задание КА с помощью рекуррентных отношений.

32 СПИИ РАН 32 Способы задания конечных автоматов (1) X={a 1, a 2, a 3, a 4 }, Y={c 1, c 2 }, U={b 1, b 2 }, Возможен вариант задания автомата, когда выходная функция имеет вид: автомат типа «вход-выход» или автомат Мура 2-го рода. а) Табличный способ задания КА Вход Состояние u1=b1u2=b2 x 1 =a 1 x 2 =a 2 x 3 =a 3 x 4 =a 4 б) Графический способ задания КА. Орпсевдограф (допускается наличие петель в вершинах графа и множественность ребер. a2a2 a1a1 a4a4 a3a3

33 СПИИ РАН 33 Способы задания конечных автоматов (2) в) Матричный вариант задания КА (используются специальные булевые матрицы) Число строк и столбцов матрицы соответствует количеству состояний КА. Состоянию a i отвечает вектор-строка, в которой все элементы нулевые, кроме элемента, соответствующего a i и принимающего значение равное единице. Например, Выходному элементу c j соответствует булева вектор-строка вида: Введенное представление позволяет рассчитать матричными методами выход КА при любом начальном состоянии и любой последовательности входных воздействий.

34 СПИИ РАН 34 Способы задания конечных автоматов (3) Пример. Дано начальное состояние КА, сценарий задания входного воздействие (2 такта). Найти. Переходное состояние автомата определяется по формуле Тогда выход автомата определится по следующей формуле

35 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем Топологическая структура орбитальной системы навигационных космических аппаратов

36 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем ЦА целевая аппаратура НКА; ОА обеспечивающая аппаратура НКА; РБДЗ распределенная база данных (знаний); ТМА типовой модуль автоматизации; ЛСОД локальная система обмена данными; УМОД унифицированный модуль обмена данными; КИС командно- измерительная система; АРМ автоматизированное рабочее место, БНО баллистическое и навигационное обеспечение; ИТО информационно-телеметрическое обеспечение; КДО контрольно- диагностическое обеспечение; КПО командно-программное обеспечение; РСОД распределенная сеть обмена данными. Техническая структура НКА, КИС, ЦУП НКА ЦА ОА УМОД ТМА РБДЗ КИС ТМА УМОД РБДЗ АРМ БНО АРМ ИТО АРМ ИТО АРМ КДО АРМ КДО АРМ КПО АРМ КПО УМОД ТМА РБДЗ ЛСОД РСОД

37 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем Структура технологии автоматизированного управления космическими средствами. НКАКИСРСОДЦУП

38 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем (CTС)

39 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем

40 СПИИ РАН Примеры сложных технических систем Рис. 1.1Рис. 1.2Рис. 1.3 Рис. 1.4Рис. 1.5Рис. 1.6 Рис. 1.7Рис. 1.8Рис. 1.9

41 СПИИ РАН Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции Рис Диаграммы структурной динамики СТС. Рис.2.2. Графики изменения структурных состояний СТС

42 СПИИ РАН 42 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, управление резервами, использование гибких и сокращенных технологий управления СТС, реконфигурация структур СТС при ее деградации 2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции

43 СПИИ РАН Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции

44 СПИИ РАН Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции Стандартная технология реконфигурации СТС при отказе одного из её ресурсов включает в себя следующие основные шаги: Шаг1. Определение и анализ момента времени и места отказа ресурса, снятие с решения задачи, выполняемой на данном ресурсе, передача задачи на другой ресурс (с сохранением / без сохранения полученных промежуточных результатов); Шаг2. Исключение отказавшего ресурса из конфигурации СТС, попытка замены его резервным (однотипным), либо резервным другого типа, с близкими функциональными возможностями; Шаг3. Исключение связей с отказавшим ресурсом, запрет на доступ к нему, а для самого отказавшего ресурса – попытка его восстановления.

45 СПИИ РАН Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции 1- ПРД TК 2 – ПРМ TК 3 – ТК Прогресс 4 – ПРД ОРС 5 – ПРМ ОРС 6 – ОРС Мир ЦУП – центр управления TК ЦУП – центр управления ОРС

46 СПИИ РАН 46 В современных условиях исследование проблем управления структурной динамикой осуществляется в рамках следующих направлений: синтез технической структуры СТС при известных законах функционирования основных элементов и подсистем, синтез функциональной структуры СТС (синтез программ управления основными элементами и подсистемами СТС) при известной технической структуре СТС, структурно-функциональный синтез облика СТС на различных этапах ее жизненного цикла (одновременно могут синтезироваться различные виды структур : топологические, технико-технологические, организационные структуры, структуры программно-математического и информационного обеспечения и т.п.). 3. Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС

47 СПИИ РАН 47 Главная трудность решения задач управления структурной динамикой 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. 3. Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС

48 СПИИ РАН 48 проблемы большой размерности и нелинейности моделей, описывающих структуру и варианты функционирования элементов и подсистем СТС; проблемы конструктивного учета в моделях факторов неопределенности, связанных с воздействием на СТС внешней среды проблемы многокритериальной оптимизации программ управления структурной динамикой СТС на полимодельных комплексах. 3. Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС

49 СПИИ РАН 49 Проблема управления структурной динамикой СТС предполагают решение четырех основных классов задач: задачи комплексного моделирования процессов управления структурной динамикой СТС, задачи анализа структурной динамики СТС; задачи наблюдения (контроля) структурных состояний СТС, ситуаций, обстановки; задачи формирования, выбора и реализации программ управления структурной динамикой СТС. 3. Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС

50 СПИИ РАН 50 Рис.3.1. Место теории управления структурной динамикой СТС в системе междисциплинарных исследований 3. Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС Теория управления структурной динамикой СТС

51 СПИИ РАН Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС Основополагающие научные работы Системный анализ Поспелов Г.С Афанасьев В.Г Клир, 1985 Касти, 1979 Саати, 1972, 1990 Гвишиани, Прангвишвили, 1998 Исследование Операций Акофф, 1978 Цвиркун, 1982, 1985, 1993, 1997 Шеннон, 1975 Форрестер, 1970 Вентцель, 1964 Петросян, 1996 Моисеев 1982 Гермейер, 1971

52 СПИИ РАН Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС Основополагающие научные работы Теория систем Месарович, Такахара, 1975 Уемов 1978 Урсул 1981 Калинин, Резников, 1974 Гиг Дж, 1978 Бурбакии, 1953, 1955 Эшби, 1956, 1963 Искусственный интеллект Russel, 1995 White, Sofge, 1992 Gupta, Sinha, 1996 Васильев, 1992, 1998 Harrison, Chess, 1995 Поспелов Д.А Wooldridge, Jenning, 1998 Городецкий, 1993, 1998, 2001

53 СПИИ РАН Современное состояние исследований проблем управления структурной динамикой СТС Основополагающие научные работы Теория управления Athaus, Falb, 1966 Понтрягин, 1961 Bellmann, 1957 Моисеев, 1974 Цурков, 1989 Siliak, 1990 Singh, Titli, 1979 Ranch, Schmidt, Natoki, 1996 Bellmann, Zadeh, 1970 Moore, Harris, 1992 Nerode, Kokh, 1993 Юсупов, Розенвассер, 1999 Павловский, 1994

54 СПИИ РАН Методологические основы управления структурной динамикой СТС

55 СПИИ РАН Методологические основы управления структурной динамикой СТС Методологические основы теории УСД СТС включают в себя: Концепции: системного анализа и моделирования, теории систем и управления сложными динамическими системами с перестраиваемой структурой; Принципы: программно-целевого управления, полимодельности и многокритериальности, внешнего дополнения и погружения, необходимого разнообразия и неокончательных решений, первого руководителя; Подходы: интегративный, структурно-математический, категорийно-функторный; Требования (к облику СПМО и ИО): требования системного подхода к организации процессов управления, универсальности и проблемной ориентации, адекватности, гибкости, адаптивности.

56 СПИИ РАН 56 Таблица 1 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

57 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Метод вычислительного интеллекта и интеллектуальные системы на его основе Комбинация из двух методовиз трёх методовиз четырёх методов Системы нечёткого вывода Fzelips 6.04 Matlab Нечёткие нейронные сетиНечёткие нейронные вероятностные сети Нечёткая вероятностная нейронная сеть с использованием генетического алгоритма (*) Нейронные сети Neurosolution 3.0Системы нечёткого и вероятностного вывода Guru Вероятностные нейронные сети с использованием генетического алгоритма (*) – Вероятностные рассуждения. Экспертная система Prospector Системы нечёткого вывода с использованием генетического алгоритма Нечёткие нейронные сети с использованием генетического алгоритма Fungen 1.2 – Генетические алгоритмы Professional Version 1.2 Вероятностные нейронные сети Trajan 2.1 Matlab Системы нечёткого вероятностного вывода с использованием генетического алгоритма (*) – NeuroGenetic OptimezerНейронные сети с использованием генетических алгоритмов –– Системы вероятностного вывода с использованием генетических алгоритмов ––

58 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

59 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Классы моделей систем n card X dim X Конструкция основной ступени шкалы множеств J J 1M 11 M 12 M 13 M 14 M 15 M 16 M 17 M 18 1n1n mM 21 M 22 M 23 M 24 M 25 M 26 M 27 M M 31 M 32 M 33 M 34 M 35 M 36 M 37 M 38 0 m M 41 M 42 M 43 M 44 M 45 M 46 M 47 M M 51 M 52 M 53 M 54 M 55 M 56 M 57 M 58 1 m M 61 M 62 M 63 M 64 M 65 M 66 M 67 M 68 2 M 71 M 72 M 73 M 74 M 75 M 76 M 77 M 78

60 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

61 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

62 СПИИ РАН 62 Рис Обобщенная структурная схема активного подвижного объекта 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

63 СПИИ РАН 63 Рис.5.2. Фрагмент диаграммы переходов из обобщенных состояний АПО первого типа 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС перемещение AПO-I после выполнения целевых и обеспечи- вающих задач перемещение AПO-I после выполнения целевых и обеспечи- вающих задач проведение технического обслуживания и ремонта AПO-I проведение технического обслуживания и ремонта AПO-I нахождение в резервном состоянии первого типа нахождение в резервном состоянии первого типа перемещение AПO-I перед выполнением целевых задач перемещение AПO-I перед выполнением целевых задач выполнение целевых задач AПО-I нахождение в резервном состоянии второго типа нахождение в резервном состоянии второго типа

64 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Рис.5.3. Возможные варианты интерпретации АПО первого типа Космические аппараты и орбитальные системы Космические аппараты и орбитальные системы Другие динамические объекты Другие динамические объекты Наземные мобильные объекты и системы Наземные мобильные объекты и системы Корабли и подводные лодки Корабли и подводные лодки Самолеты Активный Подвижный Объект (AПO) Активный Подвижный Объект (AПO) Элементы промышленного производства

65 СПИИ РАН 65 Пусть перед системой АПО стоит двойственная задача: 1) создание в заданных областях физического пространства таких условий («информационных полей»), при которых каждый АПО, пункты управления (ПУ), пункты обслуживания (ПО), находящиеся в указанных областях, могут определять своё местоположение, обмениваться информацией друг с другом, определять и оценивать состояние ОБО; 2) создание и поддержание в пространстве такой структуры АПО, которая позволит за заданное (либо минимальное) время осуществлять непосредственное вещественное либо энергетическое взаимодействие с ОБО, в ходе которого будет выполняться целевая задача, стоящая перед системой АПО. 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

66 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Рис.5.4. Обобщенная структурная схема системы обслуживания (АПО второго типа)

67 СПИИ РАН 67 Рис.5.5. Фрагмент диаграммы переходов из обобщенных состояний АПО второго типа 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС передача необработанной информации на другой AПO-II передача необработанной информации на другой AПO-II передача обработанной информации на другой AПO-II передача обработанной информации на другой AПO-II передача обработанной информации на AПO-I передача обработанной информации на AПO-I хранение поступившей на AПO-II информации хранение поступившей на AПO-II информации прием обработанной- информации, поступающей с AПO-II обработка поступившей на AПO-II информации обработка поступившей на AПO-II информации прием необработанной- информации, поступающей с AПO-I прием необработанной- информации, поступающей с AПO-II

68 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Рис Графическая и теоретико-множественная интерпретация структурной динамики СТС

69 СПИИ РАН 69 Пример структурной динамики группировки АПО A n – Активный Подвижный Объект с номером n m – материальные потоки e – энергетические потоки i – информационные потоки A n – Активный Подвижный Объект с номером n m – материальные потоки e – энергетические потоки i – информационные потоки 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС t = t s Рис Потоковая интерпретация структурной динамики СТС t = t s+1

70 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Рис Геометрическая интерпретация задачи распределения функций управления между подсистемами СУ АПО Технология решения задач в СУ АПО 123 Основные подсистемы СУ АПО НАПО ПУКИС

71 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС СТС Задача1Задача2задача ikik Подсистема#1 (НАПО) Подсистема#2 (КИС) Подсистема#3 (ПУ)

72 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС Динамическая интерпретация выполнения комплексов операции 1. Традиционный подход (статические PERT-модели) где: x i – состояние операции; T i – время выполнения операции; Q i – объем операции, i – интенсивность выполнения операции

73 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС СТС ; Зимин И.Н., Иванилов Ю.П., Лернер А.Я. (1971) Моисеев Н.Н. (1975)

74 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС ; Предлагаемый подход

75 СПИИ РАН 75 М g – динамические модели управления движением СТС; М k – динамические модели управления каналами СТС; М о – динамические модели управления операциями в СТС; М n – динамические модели управления потоками СТС; М р – динамические модели управления ресурсами СТС ; М е – динамические модели управления параметрами операций в СТС; М с – динамические модели управления структурной динамикой СТС; М n – динамические модели управления вспомогательными операциями Рис. 5.9 Обобщенная схема взаимодействия моделей управления СТС 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

76 СПИИ РАН 76 Рис Обобщенная технология параметрической и структурной адаптации аналитико-имитационных моделей УСД СТС 5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

77 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС (5.1) (5.2) (5.3) (5.4) (5.5) (5.6) (5.7)

78 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС (5.8), k = 1,2,...,K. (5.9) (5.10) (5.11) (5.12) (5.13) (5.14) (5.15)

79 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

80 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

81 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

82 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

83 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

84 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

85 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

86 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

87 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

88 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

89 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

90 СПИИ РАН Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС Основные результатыПути практической реализации полученных результатов Анализ существования решений в задачах УСД СТС Проверка адекватности описания процессов управления СТС в моделях управления Условия управляемости и достижимости в задачах УСД СТС Проверка реализуемости технологий управления СТС на интервале управления, выявления основных факторов, влияющих на Ц и ИТВ СТС Условия единственности оптимальных программ управления в задачах планирования применения СТС Оценка возможности получения оптимальных планов применения СТС Необходимые и достаточные условия оптимальности в задачах УСД СТС Предварительный анализ структуры оптимальных программ управления СТС Условия устойчивости и чувствительности в задачах УСД СТС Оценивание устойчивости (чувствительности) УСД СТС к возмущающим воздействиям, к изменению состава и структуры исходных данных

91 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

92 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

93 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

94 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

95 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС Аспекты Модели Основные аспекты синтеза структуры АСУ КСр Конструктивн ое задание множества вариантов структур Возможност ь оптимизаци и структуры Учет динамики функционир ования АСУ Учет динамики процесса развития АСУ Учет возмущаю щихвоздей ствий Математичес кая модель дискретного программиро вания ++––– Аналитическ ая модель массового обслуживания –частично – Имитационна я модель –частично+–+ Дифференциа льная (конечно- разностная) модель оптимальног о управления –частично+––

96 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

97 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

98 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС Пример формализации и решения задач анализа и выбора технологий управления ОрС НКА N 1 число наземных точек, в которых проверяется точность навигационных определений; N 2 общее число полных проверок (сеансов обсервации) ; N 3 общее число точек (во всех сеансах обсервации), в которых точность место определения наземного потребителя оказалась выше заданного порога; P H вероятность обеспечения наземных потребителей навигационной информацией

99 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС Исходная постановка задачи Вариант декомпозиции задачи Имитационная модель (1 уровень): Аналитические модели (2 уровень)

100 СПИИ РАН 100 Обобщенная процедура решения задач УСД СТС должна включать следующие основные фазы: На первой фазе должно осуществляться формирование (генерирование) допустимых вариантов многоструктурных макросостояний СТС или, по-другому, структурно- функциональный синтез нового облика СТС, соответствующего складывающейся (прогнозируемой) обстановке. На второй фазе проводится выбор конкретного варианта многоструктурного макросостояния СТС с одновременным синтезом (построением) адаптивных планов (программ) управления переходом СТС из текущего в требуемое (выбранное) макросостояние. При этом рассматриваемые планы должны обеспечивать такое эволюционное развитие СТС, при котором наряду с реализацией программ перехода из соответствующих макросостояний предусматривается одновременно и реализация программ устойчивого управления СТС в промежуточных многоструктурных макросостояниях. 7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

101 СПИИ РАН 101 Шаг 1. Формирование, анализ и интерпретация исходных данных, используемых при генерировании (синтезе) многоструктурных макросостояний СТС, построение или коррекция описания моделей, используемых при структурно-функциональном синтезе облика СТС. Шаг 2. Планирование процесса решения задачи генерирования (синтеза) многоструктурных макросостояний СТС. Определение затрат времени и других ресурсов, необходимых для решения рассматриваемой задачи. Шаг 3. Построение и аппроксимация множества достижимости (МД) динамической системы, с помощью которого неявно задаются варианты облика СТС (варианты многоструктурных макросостояний СТС). Шаг 4. Ортогональное проектирование на МД множества, с помощью которого задаются требования, предъявляемые к новому облику СТС, Шаг 5. Формирование и интерпретация выходных результатов, представление их в удобном для последующего использования виде (например, для разработки адаптивных планов развития СТС и соответствующих регулирующих воздействий, обеспечивающих реализацию данных планов с требуемой степенью устойчивости). 7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

102 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

103 СПИИ РАН Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

104 СПИИ РАН 104 Шаг 1. В интерактивном режиме осуществляется автоматизированная подготовка, контроль, анализ и ввод всей исходной информации, необходимой для решения задачи управления структурной динамикой СТС. Шаг 2. Планирование проведения комплексного моделирования процессов адаптивного управления функционированием и развитием СТС в текущей и прогнозируемой обстановке, планирование проведения вычислительных экспериментов в ИС, определение состава и структуры моделей, методов и алгоритмов решения частных задач моделирования, расчёт времени, необходимого для решения указанных задач. Шаг 3. Генерирование, на основе проведения комплексного моделирования, допустимых вариантов функционирования СТС в исходном, промежуточных и требуемых многоструктурных макросостояниях, вывод результатов моделирования ЛПР, предварительный интерактивный структурно- функциональный анализ указанных результатов моделирования; формирование классов эквивалентных многоструктурных макросостояний СТС, 7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

105 СПИИ РАН 105 Шаг 4. Автоматизированный ввод допустимых вариантов функционирования СТС, проверка корректности заданной системы ограничений, окончательный выбор необходимого уровня агрегирования при описании моделей УСД СТС, вычислительной схемы и плана вычислительных экспериментов по поиску оптимальных программ УСД СТС. Шаг 5. Поиск оптимальных программ управления структурной динамикой СТС, при которых обеспечивался переход из заданного в синтезируемое многоструктурное макросостояние СТС, устойчивое управление функционированием СТС в промежуточных многоструктурных макросостояниях. Шаг 6. Имитация условий реализации оптимального плана управления переходом СТС из текущего в требуемое (выбранное) макросостояние при наличии возмущающих воздействий и с учётом различных вариантов их компенсации на основе методов и алгоритмов оперативного управления. 7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

106 СПИИ РАН 106 Шаг 7. Структурная и параметрическая адаптация плана, СПМО и ИО ИС к возможным (прогнозируемым на имитационных моделях) состояниям ОУ, УП, внешней среды. В ходе указанной адаптации, кроме того, вводится необходимый уровень структурной избыточности СТС, обеспечивающий на этапе реализации плана компенсацию не предусмотренных в плане возмущающих воздействий. После проведения требуемого числа вычислительных экспериментов осуществляется оценивание устойчивости сформированного адаптивного плана УСД СТС. Шаг 8. Вывод полученных результатов комплексного адаптивного планирования применения СТС, их интерпретация и коррекция ЛПР, 7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

107 СПИИ РАН 107 ИВЦ потребителей - НКУ НКА ЦУП 8. Обобщенная организационно-техническая структура наземного комплекса управления (НКУ) навигационными КА (НКА)

108 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС Рис Пример агрегированной диаграммы макросостояний ОрГ НКС.

109 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС Состав обобщенных исходных данных: Варианты топологических структур навигационной космической системы (НКС); Варианты технических структур НКС ; Варианты функциональных структур (технологий взаимодействия НКА с НКУ) ; Варианты диаграмм многоструктурной динамики основных элементов и подсистем НКС; Система показателей качества функционирования НКС.

110 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС Обобщенные этапы решения задачи: 1.Расчет и проверка выполнения основных пространственно-временных ограничений; 2.Расчет эвристических программ УСД НКС; 3.Расчет оптимальных программ УСД НКС; 4.Имитация условий реализации программ УСД НКС; 5.Расчет и оптимизация показателей эффективности УСД НКС.

111 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

112 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

113 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

114 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

115 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

116 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

117 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

118 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

119 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

120 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

121 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС, m

122 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

123 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

124 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

125 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

126 СПИИ РАН Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

127 СПИИ РАН Заключение

128 СПИИ РАН Заключение

129 СПИИ РАН Благодарности Разработка данной и последующих версий прототипов специального программно- математического обеспечения процессов управления структурной динамикой СТС базируется на новых научных результатах, полученных авторами в ходе выполнения ряда проектов при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты в, , а), Секции прикладных проблем при Президиуме РАН (проект 1331), Отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (государственный контракт О-2.5/03), МНТЦ (проект 1992р), CRDF (RUM ST-05).

130 СПИИ РАН Conclusion 12. Контактная информация Соколов Борис Владимирович: Phone: ; Fax: ; Web: СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ