Оценка устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ методами математического моделирования

Одной из характерных тенденций развития автоматизированных систем организационного управления (АСОУ) является наличие и постоянное усложнение территориально распределенных автоматизированных управляющих комплексов. Основными причинами этого являются: быстрый рост и усложнение взаимных связей разнородных элементов и систем в экономике страны, необходимость повышения степени обоснованности при принятии решений как в повседневном режиме, так и при управлении в чрезвычайных ситуациях.

В отличие от традиционной практики проектирования при разработке систем класса АСОУ возникают проблемы, связанные как с рассмотрением свойств и законов функционирования элементов, так и с выбором наилучшей структуры, оптимальной организацией взаимодействия подсистем, определением наиболее эффективных режимов функционирования, комфортностью работы, учетом влияния внешней среды и т. д.

Особо важным для рассматриваемых в настоящей работе систем является такое их свойство как способность обеспечить своевременность реакции управляющего звена на изменения обстановки в одном или нескольких элементах управляемой системы. Отработка такой реакции включает такие процессы (фазы) как сбор, передачу и обработку исходной информации о состоянии системы, оценку обстановки и подготовку возможных решений на основе решения различных информационных и расчетных задач, принятие и доведение до исполнителей соответствующих решений. Последовательную совокупность таких процессов можно рассматривать как некоторый цикл управления, операционной характеристикой которого является длительность исполнения в виде суммы времен реализации отдельных фаз отработки реакции. Как правили, в рамках любой АСОУ можно выделить несколько характерных циклов, длительность которых интересует пользователей в первую очередь. Обычно на длительность каждого из таких циклов накладываются индивидуальные или общие ограничения.

В общем случае пользователей могут интересовать длительности не только указанных выше одного или нескольких циклов управления, а и затраты времени на выполнение отдельных частных процессов обработки информации. По отношению к таким процессам целесообразно ввести понятие цикла обработки информации и при оценке его длительности применять те же подходы, что и для циклов управления.

В этих условиях устойчивость управления понимается как свойство системы, состоящее в том, что выделенные циклы управления и обработки информации при различных внешних условиях находятся в заданных пределах.

Проблема обеспечения устойчивости управления в АСОУ является общесистемной и оказывает решающее влияние на выбор окончательного варианта построения АСОУ. По мере увеличения сложности общесистемным вопросам уделяется все более значительное внимание.

Системы класса АСОУ представляют собой сложные многоуровневые системы, оснащенные в зависимости от уровня управления мощными вычислительными центрами (ВЦ), ситуационными центрами (СЦ), высокопроизводительными ПЭВМ, объединенными в вычислительные сети.

Эти системы обеспечивают комплексную автоматизацию процессов сбора, подготовки, обработки и выдачи пользователям информации для принятия того или иного решения, а также передачу указаний исполнительным органам.

Любая АСОУ представляет собой сложную сеть территориально распределенных объектов пользователей, абонентов и вычислительных центров, подключенных к государственным, ведомственным или коммерческим системам связи.

Проблеме исследования таких систем в последнее время уделяется большое значение. Авторами наиболее известных ранних работ в этой области являются: Бусленко Н. П. [6, 7], Глушков В. М. [14, 15], Гуд Г. [18], Дружинин В. В. [20, 21], Клейнрок Л. [44], Коваленко И. Н. [45, 46], Орнстейн Д. [67], Полляк Ю. [76], Поспелов Д. А. [81, 82], Саати Т. [87, 88], Фишберн П. [106], Фон Нейман Дж. [107], Фран-кен П. [108], Хинчин А. Я. [110], Шеннон Р. [113]. Среди авторов работ последних лет следует отметить Симонова В. М. [92−95], Гардона Д. [13], Калашникова В. В. [29−37], Кельберта М. Я. [39, 40], Кенига Д. [41], Нейлора Т. [62], Немчинова Б. В. [63, 64], Самарского А. [90, 91], Штойяна Д. [116].

Однако задачи оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ регулярным образом не исследовались. Большинство результатов теории устойчивости, полученных на сегодняшний день, относится к обыкновенным дифференциальным уравнениям. Но эти результаты используются при исследовании систем, в которых случайными факторами можно пренебречь, либо они носят характер «малой» помехи, как это имеет место, например, во многих системах автоматического регулирования. Совершенно иное положение возникает при исследовании систем класса АСОУ. В этих системах, как отмечал Хинчин [110], «элементы случайности отнюдь не имеют характера небольших „возмущений“ — напротив, они представляют собой основную черту в картине изучаемых процессов». При исследовании функционирования таких систем эта специфика должна учитываться прежде всего, а отсюда можно сделать вывод, что разработка методов и средств оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ является актуальной научно-технической задачей, решение которой основывается на теоретических исследованиях, изложенных в перечисленных выше работах.

Оценка устойчивости управления в подобного класса системах должна осуществляться практически на всех этапах, начиная с этапа формирования требований к системе и кончая этапом проведения опытной эксплуатации. В настоящее время решение поставленной задачи при проектировании систем класса АСОУ носит, как правило, случайный характер и во многом зависит от квалификации разработчика. Тем самым, процесс поиска предложений по улучшению проектных решений является неоправданно долгим и не всегда приводит к оптимальному варианту построения системы. В связи с этим важной целью диссертационной работы является исследование устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ с помощью разработанных методов и средств и проведение на этой основе анализа влияния различных факторов и условий на функционирование систем.

Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующую задачу: получение статистических оценок показателей устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ в зависимости от различных условий их функционирования.

Решение задачи сводится к:

• исследованию основных принципов построения систем класса АСОУ;

• разработке системы показателей для исследования устойчивости управления в системах класса АСОУ;

• анализу существующих методов оценки устойчивости управления в системах подобного класса АСОУ на предмет их возможного использования и при необходимости разработке новых;

• разработке программно-математических средств получения статистических оценок показателей устойчивости управления в системах класса АСОУ.

Структура диссертационной работы соответствует последовательности решения поставленных задач.

В первой главе проанализированы существующие методы оценки устойчивости управления. Отмечены недостатки, из-за которых существующие методы не позволяют в процессе проектирования проводить оценку устойчивости с требуемой точностью. Сформулированы требования, предъявляемые к разрабатываемым методам оценки устойчивости управления. Рассмотрены отличительные особенности исследуемых в настоящей работе систем, осуществляется выбор и обоснование показателя устойчивости управления. Сформулирована задача настоящего исследования в содержательной и математической постановках.

Во второй главе изложены два метода для оценки устойчивости управления в АСОУ, которые реализованы на основе разработанных аналитической и имитационной моделей функционирования системы. В каждом из предлагаемых методов сделана постановка задачи, описаны формы входной и выходной информации, приведены математические схемы соответствующей модели, показаны условия их применимости и перспективы дальнейшего развития. В рамках разработки методов оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ проведено исследование на базе имитационной модели по оценке статистических характеристик потоков сообщений в системе на разных ее срезах с использованием статистических критериев оценки гипотез х2 и Колмогорова [86].

В третьей главе рассмотрена проблема организации и планирования имитационных экспериментов для анализа и исследования сложных систем. Разработан эвристический метод оценки точности и устойчивости результатов имитационного моделирования. Приведены описания и результаты исследований оценки устойчивости управления в автоматизированной информационно-управляющей системе Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях, в федеральной системе сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений и в информационной системе Министерства иностранных дел Российской Федерации.

Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов теории вероятностей, теории математической статистики, теории автоматов, теории структурного программирования, прикладной теории случайных процессов и имитационного моделирования.

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов определяется следующими положениями:

• разработана система показателей устойчивости управления в системах класса АСОУ для отдельных циклов и для системы в целом;

• разработаны программно-математические методы оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ, при различных условиях их функционирования, реализованные в виде аналитической и имитационной моделей;

• на базе имитационной модели разработан моделирующий алгоритм, имитирующий немарковские процессы функционирования в системах класса АСОУ и потоки сообщений, характеризующиеся нестандартными законами появления заявок на обслуживающих приборах и их поступления на обслуживание;

• с помощью разработанной имитационной модели получены оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ в условиях сильной информационной загрузки.

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем:

• с помощью разработанных методов и средств имеется возможность получения на различных этапах проектирования научно-обоснованных оценок устойчивости управления в системах класса АСОУ;

• исследования статистических характеристик потоков сообщений, циркулирующих в сетях передачи данных, позволяют оценить степень выполнения пу-ассоновской гипотезы и уточнить выбор тех или иных методов при оценке процессов функционирования в системах класса АСОУ;

• разработанный эвристический метод оценки точности результатов вычислительных экспериментов значительно уменьшает затраты машинного времени на проведение модельных расчетов;

• могут быть даны рекомендации проектировщикам, значимые для всех стадий и этапов разработки систем класса АСОУ.

Результаты диссертационной работы использовались для выработки рекомендаций по совершенствованию структур и процессов функционирования в автоматизированной информационно-управляющей системе Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях, в республиканской сети информационно-вычислительных центров и телекоммуникационных систем Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений и в информационной системе Министерства иностранных дел Российской Федерации.

Применение разработанных программно-математических методов и средств позволило выбрать и научно обосновать в кратчайшие сроки наиболее рациональные, удовлетворяющие всем требованиям заказчика, варианты построения АСОУ.

Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры № 431 Московского института радиотехники, электроники и автоматики, на ряде институтских, республиканских и всесоюзных научно-технических конференций.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в трех печатных работах, отражены в двенадцати отчетах по НИР, одном эскизном и двух системных проектах.

Основные результаты моделирования функционирования ФССН сводятся к следующему.

1. Время обработки на всех объектах ФССН незамедлительных донесений о сейсмических явлениях зависит только от типа применяемых технических средств. Это время составляет около 0.5 с для ЭВМ типа SparcStation и примерно 6 с для ПЭВМ типа PC АТ-486.

2. Время обработки регламентных сообщений на регистрирующих объектах ФССН (РИКЦ, ОСС, НО) достигает единиц и даже десятков минут (на ОСС), что объясняется значительно большим объемом отдельного сообщения.

3. Длительность циклов передачи незамедлительных донесений от регистрирующих объектов РИКЦ, ОСС и, НО в центр обработки ОИКЦ в зависимости от режима функционирования ФССН и используемой СПД изменялась в пределах от 10 с (режим ON LINE (m)) до 47 с (режимы ON LINE и OFF LINE, РОСПАК).

4. Время на подготовку и доведение различных справок пользователям ФССН составляет для основной массы вариантов единицы — десятки секунд, увеличиваясь в режиме ON LINE (m) до 10 минут, а в режиме OFF LINE — до нескольких часов, что признается пользователями ФССН допустимым.

5. Средние значения коэффициента загрузки каналов передачи данных в зависимости от варианта моделирования менялись в пределах от 0.18 до 0.65 (см. табл. 3.3.2.4), что можно считать приемлемым.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Настоящая работа посвящена решению задачи исследования устойчивости управления в системах класса АСОУ при различных внешних условиях их функционирования на разных этапах проектирования или модификации систем для обоснованного выбора проектных решений.

Актуальность задачи обусловлена, с одной стороны, объективными предпосылками и необходимостью создания систем класса АСОУ, и с другой стороны, особенностями построения, в том числе уникальностью, и условиями функционирования подобных систем, возможностью воздействия на них различных деструктивных факторов внешней среды.

Исследование процессов функционирования и оценка устойчивости управления в АСОУ связаны с необходимостью учета множества факторов, определяемых структурой системы, состоянием внешней среды, вероятностным характером функционирования самой системы и внешних воздействий, особенностями технологии передачи и обработки информации, составом и характеристиками технических средств системы.

В настоящей работе получены следующие основные результаты, являющиеся новыми как для отечественных, так и зарубежных системных исследований.

1. Разработана система показателей устойчивости управления в системах класса АСОУ для отдельных циклов управления и для системы в целом.

2. Разработаны программно-математические методы и средства оценки устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ при различных условиях их функционирования, реализованные в виде аналитической и имитационной моделей.

3. Проведены исследования статистических характеристик потоков сообщений, циркулирующих в сетях передачи данных.

4. С помощью разработанной имитационной модели получены оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ в условиях сильной информационной загрузки.

5. Разработан эвристический метод оценки точности результатов вычислительных экспериментов.

6. Проведены предпроектные исследования по оценке устойчивости управления в важных государственных системах класса АСОУ, сформулированы рекомендации проектировщикам разрабатываемых систем.

В ходе дальнейших работ по данной теме предполагается развивать область исследований в двух основных направлениях:

• разрабатывать модели функционирования сложных систем организационного управления, составляющих основу и условия развития информационной инфраструктуры экономики рыночного типа;

• развивать имеющиеся и разрабатывать новые инструментальные средства, позволяющие оценивать устойчивость управления и другие общесистемные характеристики в системах класса АСОУ.