автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методика поддержки работоспособности автоматизированной системы управления предприятием с распределенной структурой на основе иерархического кластерного анализа

На правах рукописи 1

Блинова Вероника Михайловна

Методика поддержки работоспособности автоматизированной системы управления предприятием с распределенной структурой на основе иерархического кластерного анализа

Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

18 АПР 2013

Москва 2013 г.

005057656

005057656

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ)» на кафедре «Автоматизированные системы управления и информатики».

Научный руководитель Морозова Татьяна Юрьевна,

доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедры «Автоматизированные системы обработки информации и управления» ФГБОУ ВПО МГУПИ, г. Москва Официальные оппоненты Строганов Виктор Юрьевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э.Баумана, профессор кафедры «Системы обработки информации и управления», г. Москва Капитанов Алексей Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», доцент кафедры "Автоматизированные системы обработки информации и управления", г. Москва Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования научный исследовательский университет «Московский энергетический институт» (МЭИ).

Защита состоится 24 апреля 2013 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский проспект, д.64, ауд. 42. Телефон для справок: (499) 155-93-24. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ. Автореферат разослан 22 марта 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета университета, а копии отзывов присылать по электронной почте: uchsovet@madi.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.126.05, , ' /)

кандидат технических наук, доцент , ¡['Ь-Ч Михайлова Н.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Повышение нестабильности внешней среды и жесткая конкуренция на рынках сбыта, необходимость достаточно быстрой смены (в среднем 5 лет) поколений производимой продукции на промышленных предприятиях, развитие информационных технологий, оказывающих существенное влияние на все стадии производства и реализации продукции, приводят к дальнейшим поискам эффективных форм организации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) с распределенной структурой. Распределенная организация АСУП оказалась ответом на усложнившиеся условия функционирования современного производства при создании объединений, корпораций, консорциумов в период радикальных реформ.

Создание методики поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой, обеспечивающей бесперебойное

функционирование работы промышленных предприятий, в которых установлены рыночные отношения между основными звеньями, начиная от поставок сырья и кончая реализацией готовой продукции, является, несомненно, актуальной задачей.

Управление большими производственными предприятиями сегодня уже немыслимо без поддержки специального ПО (программное обеспечение), позволяющего руководству принимать правильные и своевременные решения. Сбои в работе управленческого ПО могут привести к неправильным решениям, которые часто являются дорогостоящими. В этой связи бесперебойное функционирование АСУП приобретает первостепенное значение, которое зависит от многих, факторов. Это и нарушение связи между абонентами, и ошибки пользователей при работе, и многие другие факторы. Нарушение функционирования хотя бы одного из режимов работы АСУП приводит к возникновению нештатной ситуации.

Борьба с нештатными ситуациями - сложный технологический процесс, в котором задействованы подразделения квалифицированных специалистов, которые должны быстро локализовать нештатные ситуации и принимать решения по их устранению.

Крупнейшие производители программных продуктов, например, такие как Microsoft и ЮМ, создали множество средств, позволяющих приводить работу АСУП в работоспособное состояние. Эти дорогостоящие средства предназначены для весьма опытных и квалифицированных специалистов, что совсем не снижает стоимость эксплуатации АСУП.

Описанные параметры деятельности по устранению нештатных ситуаций предъявляют к экспертам высокие интеллектуальные и скоростные требования. Наличие узкой специализации и неизбежная текучесть кадров среди экспертов проводит к заметному снижению качества обслуживания АСУП в случае отсутствия нужного специалиста.

Для того чтобы поддерживать работоспособность АСУП необходимо обеспечивать качество процесса коррекции нештатных ситуаций на должном уровне. А это требует создания методики поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой на основе обобщения опыта экспертов.

В связи со сложностью создания данной методики необходима формальная модель, на основе которой строится реально действующее программное обеспечение, которое в свою очередь повысило бы качество работы служб поддержки.

Цель и основные задачи исследования

Целью работы является повышение надежности функционирования АСУП за счет разработки и использования методики принятия решений по управлению в нештатных ситуациях на основе иерархического кластерного анализа в условиях неопределенности.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• Анализ подходов к диагностике обеспечивающих подсистем АСУП, анализ возможных организационно-технических мероприятий процесса функционирования АСУП и основных подходов к оперативному принятию решений при устранении отказов и сбоев в ее работе.

• Разработка математической модели процесса принятия решений по коррекции нештатной ситуации в АСУП.

• Разработка алгоритмов и информационного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

• Разработка методики, обеспечивающей автоматизацию процесса поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой.

• Создание алгоритма управления нештатными ситуациями.

• Практическое применение предложенной методики путем внедрения программного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены с использованием методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики,

когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Научная новизна

В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты:

• Разработаны математическая модель и алгоритм управления нештатными ситуациями в АСУП, основанные на принципах иерархического кластерного анализа и метрических свойствах теории множеств в условиях неопределенности.

• Впервые разработан алгоритм решения сетевых проблем АСУП на основе иерархического кластерного анализа с использованием методов когнитивной графики.

• Создана методика выявления, определения и устранения последствий сбоев и отказов в работе АСУП, позволяющая не только контролировать работу, но и улучшать ее характеристики. Применение этой методики позволит значительно сократить время восстановления работоспособности АСУП с распределенной структурой в условиях неопределенности.

Теоретическая значимость

Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

• доказана возможность коррекции нештатных ситуаций в АСУП с использованием математического аппарата кластерного анализа;

• проведена модернизация существующих алгоритмов коррекции нештатных ситуаций АСУП за счет введения переменных, описывающих процесс коррекции нештатных ситуаций. На основе этих переменных вводится понятия прецедента, основного источника информации о нештатных ситуациях в АСУП и способах их коррекции, и справочника прецедентов, объединяющего все известные прецеденты;

• доказана строгая иерархия на конечном множестве соответствии с положениями кластерного анализа;

• разработана математическая модель базы знаний коррекции нештатных ситуаций на основе системных переменных и множества правил, заданных имеющимися прецедентами. Важной особенностью определенной базы знаний является наличие метрических отношений между прецедентами и правилами, находящимися в ней.

Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в т.ч. методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики,

когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики подтверждается тем, что:

• разработан и внедрен в промышленную эксплуатацию пакет прикладных программ, использование которого позволило качественно повысить эффективность управления нештатными ситуациями;

• определены пределы и описаны перспективы применения предлагаемых методов принятия решений в АСУП;

• даны методические рекомендации по совершенствованию и модернизации коррекции нештатных ситуаций в АСУП, что привело к минимизации временных и финансовых затрат, связанных с восстановлением АСУП после сбоев в работе за счет автоматизации принятия адекватных решений;

• проведена апробация предлагаемой методики коррекции нештатных ситуаций, которая повысила надежность работы сети предприятия.

В конечном итоге, предлагается комплексной подход с применением инструментальных исследований, обеспечивающий эффективное решение задачи управления нештатными ситуациями в АСУП.

Оценка достоверности результатов исследования

Оценка достоверности исследования выявила:

• экспериментальные результаты получены с использованием лицензионного программного обеспечения с применением разработанного программного модуля на различных аппаратных платформах;

• теоретические изыскания построены на известных методах теории множеств, иерархического кластерного анализа, когнитивной графики;

• идея базируется на проведенном анализе практики и обобщении передового опыта построения АСУП;

• использованы современные средства и методики проведения исследований, доказывающие обоснованность применения разработанного метода принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП ввиду согласованности данных эксперимента и научных выводов.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в:

• проведении анализа существующих способов разработки модели коррекции нештатных ситуаций;

• непосредственной разработке алгоритма на основе метода иерархического кластерного анализа при принятии решений о нивелировании нештатных ситуаций в сети предприятия;

• разработке алгоритма поиска решений при коррекции нештатной ситуации;

• разработке алгоритма актуализации базы знаний;

• личном участии во внедрении разработанного пакета прикладных программ в эксплуатацию АСУП;

• непосредственной подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реализация результатов

Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения, которое используется для диагностики АСУП с распределенной структурой.

Разработанные методы диагностики сети и решения сетевых проблем использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 23.01.02 на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» Московского государственного университета приборостроения и информатики.

Достоверность

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: использованием понятий и выводов теории множеств и кластерного анализа; результатами математического моделирования предложенных методов на ПЭВМ; разработкой действующих программных средств, подтвержденных свидетельствами об официальной регистрации; апробацией предложенных методик расчета для конкретных случаев; наличием актов внедрения результатов диссертационной работы.

Апробация работы

Основные научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» Москва, МГУПИ 17-19 апреля 2012 года, международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных

исследований '2008» (Украина, Одесса), международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии ПаВТ'2009» (Россия, г. Москва), международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Россия, г. Воронеж), 2008.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе, 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) №2012618863, от 29.04.2012.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 2-х приложений.

Основная часть диссертации содержит 157 страниц машинописного текста, включая 35 рисунков и 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, перечислены ее основные результаты и область их применения, отмечена практическая ценность и научная новизна, а также представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены актуальные подходы к построению систем сбора информации АСУП, их диагностике, анализу возможных нештатных ситуаций и организационно-технических мероприятий, приводящих ее к нормальному функционированию.

Проведен анализ технических средств передачи информации в современных АСУП. Рассмотрены особенности организации систем сбора и обработки информации АСУП.

Выявлены особенности процесса управления и обеспечения работоспособности компьютерной АСУП и поставлена задача создания методики поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой на основе выявления и коррекции нештатных ситуаций.

В диссертации управление отказами (Fault Management) рассматривается группа задач по выявлению, определению и устранению последствий сбоев и отказов в работе АСУП. На этом уровне выполняется не только регистрация сообщений об ошибках, но и их анализ на основе некоторой корреляционной модели. Корреляционный анализ позволяет найти причину, породившую поток взаимосвязанных сообщений.

В этой группе задач выделяют подгруппу задач управления проблемами, подразумевая под проблемой сложную ситуацию, требующую для ее разрешения обязательного привлечения специалистов по обслуживанию АСУП.

Раскрыта сущность процесса поддержки обеспечения работоспособности АСУП.

Установлено, что недостаточно формализованным и трудоёмким является процесс анализа возникновения нештатных ситуаций в работе АСУП и их устранение.

Указано, что поиск неисправностей в АСУП - это сочетание анализа (измерения, диагностика и локализация ошибок) и синтеза (принятие решения о том, какие изменения надо внести в работу АСУП, чтобы исправить ее работу).

Выделена фаза мониторинга, на котором выполняется процедура сбора первичных данных о работе АСУП.

Основные проблемы, которые могут возникнуть при реализации вспомогательных функций АСУП, связаны с уменьшением скорости обмена данными, невозможностью получить доступ к общим ресурсам АСУП - папкам, каталогам, принтерам и программному обеспечению.

Управление нештатными ситуациями АСУП — это один из способов поддержания ее работоспособности. Реализация процесса управления отказами определяет потребность внедрения системы поддержки принятия решений (СППР) в данный процесс.

В случае устранения сбоев в процессе функционирования системы сбора и обработки информации под СППР можно понимать программный комплекс, дающий рекомендации лицу принимающему решение (ЛПР) по организации процесса поиска рациональной совокупности организационно-технических мероприятий по устранению проблем в АСУП.

СППР может способствовать анализу и локализации проблемы, выявлению путей решения проблемы и выбору обоснованного варианта модернизации или оперативного устранения нарушений функционирования АСУП.

Установлены требования, предъявляемые к современным системам передачи данных. Проведен анализ построения и обеспечения работоспособности АСУП.

Недостаток методик диагностики АСУП заключается в частой привязке к конкретной технологии доступа к признакам, описывающим состояние АСУП, а также в неоднозначной трактовке выбора обоснованного комплекса организационно-технических мероприятий из нескольких вариантов при наличии множества некорректно функционирующих компонентов АСУП.

Обоснован выбор применения иерархического кластерного анализа для решения задачи управления нештатными ситуациями.

В заключительной части главы поставлена задача создания механизма управления отказами в системах сбора и обработки информации. Предложены пути её решения.

Во второй главе описаны основные принципы построения регулируемой системы, позволяющей не только контролировать работу АСУП с распределенной структурой, но и улучшать ее характеристики. Применение этой системы позволило значительно сократить время восстановления работоспособности АСУП.

Система сбора информации рассматривается как объект системы автоматического управления.

В диссертации введены следующие обозначения:

5= (/1=1,2,...//)} - множество входных сообщений;

(/= {ут (т=1,2,...,Л/)} - множество выходных сообщений;

{2 ~ {<7/ (/=/,2,...,/,)} - множество корректирующих действий.

Все эти множества конечны. Элементы множества Б описывают те задачи (и функции), которые возложены на данную систему. Любой элемент б, представляет собой операцию, которую должна выполнить система. Элементы множества V описывают результат окончания операции, порожденной элементом множества 5. Это может быть и нормальное завершение, и аварийное.

Стандартные сообщения - это сообщения, предусмотренные разработчиками АСУП. Часть этих сообщений выводится на экран, часть — как специальные отчеты. Следовательно, пара (б„ v,) характеризует процесс функционирования АСУП. Если для стандартных сообщений эта пара остается неизменной, то для нештатных ситуаций она пополняется в процессе эксплуатации АСУП.

При возникновении нештатной ситуации в системе, функционирующей в составе АСУП с распределенной структурой, необходимо решить следующие задачи: идентификация нештатной ситуации; анализ возможных причин возникновения нештатной ситуации; принятие решения о способе возврата АСУП к нормальному режиму работы; выполнение корректирующих действий, необходимых для возвращения нормального функционирования АСУП.

Элементы множества Q образуются только тогда, когда возникают нештатные ситуации. Поэтому элементы множества 2 связаны с элементами множества Кис элементами множества 5. Таким образом, процесс коррекции нештатной ситуации в АСУП описывается тремя элементами ($/, V,, дк).

В диссертации доказано, что целесообразно разбить эти элементы на пары: ($„, уш); (ут <7,). Такое разбиение позволит создать двумерный справочник, который будет связывать элементы множеств 5, V, <9.

Из-за трудности нахождения причин нештатной ситуации процесс восстановления функционирования АСУП представляет собой метод последовательных приближений. Суть автоматизации процесса поддержки принятия решений заключается в накоплении опыта по идентификации и коррекции нештатных ситуаций. Поэтому в диссертации введена дополнительная переменная:

Я = {г/,(к=1,2,...,К)} - конечное множество гипотез устранения нештатных ситуаций.

Проводится анализ следующих пар: (.?„, дк); (у„, дк); (г/, дк) с целью определения организационно-технических мероприятий по коррекции нештатных ситуаций.

Введение гипотезы обусловлено тем, что любые знания о структуре АСУП, режимах функционирования, выраженные в виде предположений, гипотез, помогут сократить время восстановления работоспособности АСУП.

Совокупность множеств 5, V, Я, <2 образовывает информационную базу коррекции процесса нештатных ситуаций (базу знаний). Рассмотрен процесс коррекции нештатной ситуации. Пусть на основании сообщения о нештатной ситуации V/, появившегося при выполнении операциистроится гипотеза /у, относительно элемента на основании которой формируется корректирующее воздействие дк на элемент

Далее следует процесс проверки гипотезы. В результате чего система выдает либо сообщение о новой нештатной ситуации, либо переходит в штатный режим работы (без ограничения общности будем считать, что множество V содержит элемент который имеет семантическое значение «штатный режим работы»),

В случае, когда процесс корректировки заканчивается очередной нештатной ситуацией, выбирается следующий элемент из множества Я, и так до тех пор, пока не будут перебраны все элементы множества Я. Если и после этого нештатная ситуация не будет устранена, то это означает, что в информационной базе нет соответствующей гипотезы возникновения данной нештатной ситуации. Следовательно, требуется добавить новую гипотезу. Тогда администратор должен самостоятельно найти решение проблемы на основании своего личного опыта и интуиции, и пополнить информационную базу процесса новыми данными.

Описанная схема коррекции нештатной ситуации аналогична принципу отрицательной обратной связи.

Показано, что в случае функционирования АСУП, система не только не является линейной, но и контур обратной связи, включающий в себя пользователя, как активного агента, имеет некоторую неопределенность и

носит активный характер, а также большую роль играет пользователь в контуре обратной связи.

Схема коррекции нештатной ситуации представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. - Схема коррекции нештатной ситуации

Следовательно, процесс корректирующего воздействия по сообщению о нештатной ситуации V, задается отображением: -> (д^ь), что является

аналогом передаточной функции для контура обратной связи в технических системах.

Процесс формирования гипотезы изображен на рисунке 2.

И, следовательно, с учетом гипотез, функция отображения принимает вид: 00„5,) (qic.Sk).

Описание успешного завершения цикла коррекции нештатной ситуации, то есть такой совокупности появления нештатной ситуации, гипотезы и действия по коррекции, в результате которой сеть переходит в нормальное состояние (сообщение о нештатной ситуации пропадает), выражается следующим образом: <-■•-.

я, =

Совокупность элементов ^ образуют множество прецедентов.

Вводится. определение строгой иерархии как средство установления отношений между элементами множества прецедентов. На рисунке 3 приведена иллюстрация понятия строгой иерархии, определенной на конечном множестве П= {ы, | i е N}. Уровни разбиений показаны рядами стрелок, обозначающими отдельные подмножества этих разбиений. На самом нижнем уровне показано само множество ii, состоящее из элементов су,. Разбиение верхнего уровня Н0

состоит из единственного множества П S, которое совпадает с множеством £2.

О»

Рисунок 3. - Строгая иерархия Я, определенная на конечном множестве ^

Рассматривается способ формирования кодов для обозначения прецедентов. Коды необходимы для сравнения прецедентов. Для того чтобы код прецедента однозначно представлял соответствующий ему прецедент, необходимо определить взаимнооднозначное соответствие между множествами кодов и множеством прецедентов. Для задания кодов прецедентов необходимо ввести между ними некоторые отношения эквивалентности, так чтобы эквивалентные прецеденты имели одинаковые коды. С другой стороны, важной задачей модели коррекции нештатных ситуаций является выделение классов прецедентов, обладающих некоторыми общими свойствами. Одним из наиболее простых способов задания классов является определение отношений эквивалентности.

Вводится бинарное отношение 'Ан, между двумя элементами из множества й, которое означает, что оба эти элемента принадлежат одному из подмножеств О: /, разбиения Я/ строгой иерархии Я, определенной на множестве О.

На основе заданного отношения вводится функция соответствия: ; " / /<(«/)= (П°, Ц.....П£)-

Смысл функции соответствия заключается в следующем. Элемент а, множества Я кодируется списком или вектором, состоящим из имен классов эквивалентности, в которые входит элемент ш,. Код элемента со, складывается из имен всех классов, включающих его, записанных в порядке взаимного включения этих классов эквивалентности.

На рисунке 4 проиллюстрировано действие функции соответствия. Исходное множество О, показано в виде неправильной фигуры. Функция

соответствия /с(,со) отображает О на множество кодов а (кодовое множество),

О 1 ь-\

которое состоит из наборов (£?'-, £'>,...42'"), которые показаны прямоугольником.

Рисунок 4. - Кодовое множество

На основе введенных понятий описывается принцип построения кластерных классификаторов (КК) пар прецедентов для конкретного разбиения множеств5, К Я в- "Н, "Я, *Н.

Вводится логическая функция, которая описывает ограничения на «право» элементов из множеств информационного набора занимать отдельные ячейки КК. Описание логики КК необходимо для того, чтобы исключить из рассмотрения те ячейки КК, которые не имеют семантического смысла. На рисунке 5 приведен пример двухуровнего КК. Разбиение на 4 квадрата с бледно-серым цветом изображает нулевой уровень КК, а разбиение на 64 квадрата с темно серым цветом - первый уровень кластеризатора. При этом белым цветом показаны запрещенные, а светло-серым - разрешенные кластеры нулевого уровня. Темно-серый цвет показывает разрешенные состояния первого уровня, все остальные состояния первого уровня запрещены.

- Области нулевого уровня, где ие

могут располагаться реализации

Область первого уровня. где могут располагаться реализации.

_ Область нулевого уровня, где

могут располагаться реализации

Рисунок 5. - Пример КК

Определяется обобщенный представляющий набор

П

(а',..., п^)

! с,-а», мс ))

где обобщенные переменные процесса функционирования АСУП, а расширенные кодовые множества:

•»с = =

Совокупность множеств "С , "с ,ч'с образует обобщенную информационную базу процесса коррекции нештатных ситуаций

Н = ("С # "С /'С ).

Для сформированной на основе КК базы знаний вводится метрика и разработаны алгоритмы поиска информации по точному выбору по прецедентам, по ближайшему прецеденту и дополнения базы знаний.

В качестве метрики была определена смешанная метрика: основная метрика - это евклидовое расстояние, а для отдельных элементов на основании функциональных свойств прецедентов были назначены парные расстояния.

В третьей главе рассмотрены вопросы создания алгоритма управления отказами на основе иерархического кластерного анализа, базы знаний, позволяющей в значительной степени облегчить работу по сопровождению АСУП.

В главе описаны основные положения указанной методики управления выявления, определения, устранения последствий сбоев и отказов в работе АСУП. Приведен анализ результатов эксперимента на примере фрагмента построенной базы знаний. Для наглядности приведенного анализа в главе использованы методы когнитивной графики. Рассмотрены различные варианты построения базы знаний, указаны их достоинства и недостатки.

Рассмотрена проблема организации консультаций по нештатным ситуациям в АСУП с технической и организационной точек зрения. Предлагаемая методика, кроме вопросов организации базы знаний, рассматривает технологический процесс оказания консультаций, методы накопления информации по прецедентам.

Процесс поддержки функционирования АСУП основывается на двух основных составляющих:

• база знаний для накопления и обобщения опыта экспертов;

• технология работы с базой знаний для корректности получаемых результатов.

Рассмотрена практическая ситуация построения и использования методики для анализа функционирования АСУП приборостроения.

Для первичного наполнении базы знаний были проанализированы выполняемые АСУП операции, возникающие в процессе функционирования АСУП нештатные ситуации, причины возникновения этих нештатных ситуаций и корректирующие действия, позволяющие нормализовать работу АСУП.

Были выделены основные операции, которые выполняются при функционировании АСУП. Эти операции приведены в таблице 1. Таблица 1. - Операции функционирования АСУП

50 Вход в сеть

sl Установка связи между компьютерами

s2 Обмен данными по сети

s3 Служба DNS-сервера

s4 Работа с Active Directory

s5 Служба DHCP-сервера

s6 Назначение или изменение разрешений NTFS доступ к файлам/папкам

s7 Использование почты

s8 Расширение сети через коммутаторы

s9 Подключение к сети Интернет

Для каждой операции были определены нештатные ситуации, которые могут появляться при нарушении целостности АСУП, для каждой нештатной ситуации определены гипотезы и действия, которые нужно проделать для возвращения в штатный режим работы. В результате проделанного анализа были определены множества 5, V, Л, ():

V- уь...,У50};

Я= {г0, гь...,гя};

<2= {<7о,<7ь--><7б7}.

Первоначальные иерархии получены путем обобщения неформального опыта специалистов в области эксплуатации АСУП, с которыми автору удалось пообщаться. Иерархия множества 5 представляет собой операции, которые происходят при функционировании АСУП. Каждое множества из разбиения множеств V, Я задающего иерархию, объединены по классам операций, которые предлагается проделать при возникновении определенной нештатной ситуации.

Доказано, что введенные иерархии позволяют применить к ним методы, изложенные во второй главе. На основании введенных строгих иерархий

построены кластерные классификаторы "Я, "Я, "Я, которые являются основой базы знаний.

Для администратора АСУП подготовлены когнитивные средства, которые визуально иллюстрируют структуру КК и помогают в построении корректной структуры кластеров.

Внутреннее устройство КК может быть наглядно представлено с помощью диаграмм парных расстояний. На рисунке 6 показаны диаграммы парных расстояний в классификаторах сообщений о нештатных ситуациях.

По горизонтальным осям графиков (оси прецедентов) отложены отдельные прецеденты. Высота столбца на пересечении линий двух прецедентов отражает расстояние между ними.

Рисунок 6. - Диаграммы парных расстояний

Пары близких прецедентов изображаются на диаграммах столбцами с меньшей высотой, более далекие имеют большую высоту.

Четвертая глава посвящена созданию программной реализации созданного метода и состоит в построении бинарных классификаторов, которые связывают элементы множеств 5, V, Я,

(v/, $,-); (гк, .$*); (др 5,).

В процессе эксплуатации АСУП эти справочники расширяются.

Программное обеспечение реализует методы иерархического кластерного анализа, метрических свойства теории множеств и когнитивной графики. Схема функционирования ПО поддержки принятия решений по коррекции нештатной ситуации изображена на рисунке 7.

Данный продукт может быть использован практически во всех АСУП различного назначения (приборостроение или автомобилестроение).

Проверка адекватности предложенной в диссертации теории проводилась в рамках эксперимента, организованного автором в КБ «ЭлектронСистема» и ЗАО «РДТЕХ».

Рисунок 7. - Архитектура ПО поддержки принятия решений по коррекции нештатной ситуации

Предложена методика управления выявлением, определением и устранением последствий сбоев и отказов в работе АСУП, которую можно реализовать при эксплуатации АСУП.

Для реализации программного обеспечения используется лицензионный программный продукт Borland Delphi 7 и СУБД SQLite.

Проведена апробация разработанных моделей, метода и алгоритмов управления отказами.

Зависимость вероятности выявления нештатной ситуации от накопленных гипотез в базе знаний представлена на рисунке 8.

Кол-во гипотез

Рисунок 8. - Зависимость вероятности выявления нештатной ситуации от накопленных гипотез в базе знаний

Экономический эффект применения предложенной методики достигается за счет снижения затрат на сопровождение АСУП.

Исследована эффективность разработанной модели управления отказами в АСУП с помощью имитационного моделирования, а также осуществлена проверка его работоспособности на предприятиях и в учебном процессе.

Время реакции на устранение нештатной ситуации снизилось в среднем на 15% (рисунок 9). Наибольшее ускорение работы было достигнуто в работе службы поддержки, где происходит общение с пользователем. При возникновении нештатных ситуаций в областях, не обслуживаемых системами автоматического мониторинга, время устранения нештатной ситуации сокращалось на 15-20%. Количество обращений операторов дежурной смены к высококвалифицированным специалистам снизилось более чем на 30%.

1 .....1

□ До внедрения ■ После внедрения

Время реакции на НС

Кол-во обращений за консультациями

Рисунок 9. - Результаты апробации программного обеспечения

Приведено описание предложенной методики управления отказами.

В заключении формулируются основные полученные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• Проведен анализ подходов к диагностике работоспособности АСУП, анализ возможных организационно-технических мероприятий и основных подходов к оперативному принятию решений при устранении отказов и сбоев в ее работе.

• Разработана математическая модель процесса принятия решений по коррекции нештатной ситуации в АСУП, основанная на множестве прецедентов и отношении эквивалентности, что позволило корректировать нештатную ситуацию без участия эксперта.

• Создана база знаний, состоящая из множества корректирующих действий; множества входных сообщений; множества выходных сообщений; конечного множества гипотез устранения нештатных ситуаций, позволяющая осуществлять процесс коррекции нештатных ситуаций без участия эксперта.

• Разработан алгоритм управления отказами и коррекции нештатной ситуации на основе создания базы знаний и методов когнитивной графики.

Данный алгоритм работает по принципу отрицательной обратной связи. В отличие от существующих созданный алгоритм описывает систему, которая не только не является линейной, но и имеет контур обратной связи, включающий в себя оператора, как активного агента, имеет некоторую неопределенность и носит активный характер.

• Создана методика, основанная на теории иерархического кластерного анализа, ориентированная на устранение недостатков существующих аналогов. Данная методика обеспечивает высокую обоснованность и адекватность принимаемых решений в условиях неопределенности и позволяет снизить время реакции на устранение нештатной ситуации на 15%.

• Разработано программное обеспечение на основе алгоритмов, использующих принципы иерархического кластерного анализа и метрических свойств теории множеств.

• Осуществлено практическое применение разработанной методики путем внедрения программного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП на предприятие приборостроения, что снизило затраты на обслуживание АСУП.

Основные публикации по теме диссертации

Работы, опубликованные в научных рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК.

1. Блинова В.М. Метод контроля функционирования передачи данных в автоматизированной системе управления промышленным предприятием.// Промышленные АСУ и контроллеры. №3 2012, стр.34-38.

2. Блинова В.М. Метод диагностики сетей передачи данных на основе иерархического кластерного анализа.// Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. №2 2012, стр. 48-53.

3. Блинова В.М., Скворцова Т.И. Совершенствование процесса тестирования в системе дистанционного обучения МоосПе. // Промышленные АСУ и контроллеры №5 2011, стр. 20-24

Публикации в других изданиях.

4. Блинова В.М. Метод создания кластерных классификаторов для базы знаний, хранящей и накапливающей информацию о функционировании корпоративной АСУТП передачи данных.//Сборник трудов XV Всероссийской научно-технической конференции Новые информационные технологии Москва, МГУПИ 17-19 апреля 2012 года, стр.63-65.

5. Блинова В.М. Методы контроля передачи данных в компьютерных сетях.// Сборник трудов Международной научно-практической конференции

«Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008». Том 2. — (Украина, Одесса): Черноморье, 2008. -С. 78-82.

6. Блинова В.М. Алгоритм управления отказами в распределенных системах, основанный на принципах иерархического кластерного анализа.//Международная научная конференция «Параллельные вычислительные технологии ПаВТ'2009» (Россия, г. Москва), 2009. -С. 86-89.

7. Блинова В.М. Алгоритм организации консультаций по нештатным ситуациям компьютерной системы.// Международная конференция «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Россия, г. Воронеж), 2008.-С. 37-41.

8. Блинова В.М. Об анализе сбоев в работе АСУТП и их устранение.//У1 Межвузовская научная конференция по проблемам информатики.-2009. (Россия, г. Екатеринбург) (УрГУ и ИММ УрО РАН).-С. 105-108.

Авторские свидетельства, патенты, информационные карты и алгоритмы.

9 .Бекаев С.Т., Блинова В.М., Никонов В.В., Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ «Интеллектуальная система принятия решений управления сетью передачей данных на основе иерархической кластеризации». № 2012613821, от 24.04.2012.

Подписано в печать: 21.03.2013 Тираж 100 экз. Заказ №949 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, Ленинградский пр-т д.74 (495)790-74-77 www.reglet.ru

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

04201355607 На правах рукописи

Блинова Вероника Михайловна

МЕТОДИКА ПОДДЕРЖКИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЕМ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ НА ОСНОВЕ ИЕРАРХИЧЕСКОГО КЛАСТЕРНОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Морозова Т.Ю.

Москва 2013 г

Оглавление

Актуальность темы..............................................................................................5

Глава 1. Актуальные подходы к диагностике систем сбора и обработки информации, анализу возможных нештатных ситуаций в системах и организационно-технических мероприятий над системами, приводящих их к нормальному функционированию.......................................................................11

1.1. Анализ программных и технических средств передачи информации в современных АСУ предприятием (АСУП)........................................................11

1.1.1. Структура программно-технического комплекса АСУП.....................11

1.1.2. Физическая структура системы передачи данных..................................18

1.2. Особенности процесса управления и обеспечения работоспособности АСУП......................................................................................................................20

1.2.1. Задачи управления......................................................................................20

1.2.2. Сущность процесса обеспечения работоспособности АСУП................23

1.3. Основные подходы к построению АСУП, их диагностике, возможные организационно-технические мероприятия над АСУП...................................26

1.3.1. Требования, предъявляемые к современным системам передачи данных .................................................................................................................................26

1.3.2. Специфика построения и обеспечения работоспособности СПД.........32

1.3.3. Анализ построения и обеспечения работоспособности АСУП.............33

1.3.4. Особенности диагностики АСУП.............................................................36

1.3.5. Подходы к моделированию АСУП...........................................................38

1.4. Обоснование выбора математического метода - иерархического кластерного анализа..............................................................................................39

1.5.1 Остановка цели и задач исследования.......................................................43

1. 6. Выводы по первой главе...............................................................................43

Глава 2. Разработка метода принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП.................................................................................................45

2.1. Состояния системы, £....................................................................................45

2.2. Сообщения системы, V..................................................................................45

2.3. Действия по коррекции нештатной ситуации, О,........................................46

2.4. Введение в формальное описание модели коррекции нештатной ситуации.................................................................................................................47

Л/

2.5. Гипотеза о причине........................................................................................48

2.5. Модель коррекции нештатной ситуации в АСУП......................................50

2.5.1. Основные понятия.......................................................................................51

2.5.2. Пространство альтернатив. Строгая иерархия как средство установления отношений между элементами справочника прецедентов. 56

2.5.3. Строгая иерархия........................................................................................58

2.5.4. Кодирующая функция. Кодовое множество............................................59

2.6. Двумерный кластерный классификатор. Обобщенные переменные......64

2.6.1. Двумерный кластерный классификатор как способ задания строгой иерархии на множестве пар.................................................................................64

2.6.2. Логика кластерного классификатора. Разрешающая функция..............65

2.6.3. Обобщенный представляющий набор......................................................69

2.7. Множество прецедентов в обобщенном представляющем пространстве. База знаний методики коррекции нештатной ситуации...................................70

2.8. Метод поиска ответа, основанный на метрических свойствах множества прецедентов...........................................................................................................74

2.8.1. Точный выбор по имеющимся прецедентам............................................75

2.8.2. Выбор по ближайшему прецеденту..........................................................79

2.9. Дополнение базы знаний новыми фактами.................................................81

2.9.1. Уточнение направления поиска.................................................................82

2.9.2. Дополнение базы знаний............................................................................83

Выводы по второй главе.......................................................................................84

Глава 3. Разработка алгоритмов реализации метода принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП........................................................86

3.1. Построение системы принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП.................................................................................................86

3.2. Этапы создания информационной базы знаний.........................................88

3.3. Алгоритм поиска решения..........................................................................131

3.4. Когнитивные графики.................................................................................132

Выводы по третьей главе....................................................................................135

Глава 4. Практическая реализация разработанной методики........................136

4.1. Программное обеспечение системы поддержки принятия решений при

коррекции НС в АСУП.......................................................................................136

4.2 Основные задачи, реализуемые ПО системы поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП...............................................................137

4.3. Структура и принципы функционирования ПО системы поддержки принятия решений управления отказами в АСУП..........................................137

4.4 Методика системы поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП....................................................................................................................138

Заключение..........................................................................................................143

Литература...........................................................................................................144

Приложение 1 Акты внедрения.....................................................................153

Приложение 2 Свидетельство о государственной регистрации................157

Н

f

Актуальность темы

Повышение нестабильности внешней среды и жесткая конкуренция на рынках сбыта, необходимость достаточно быстрой смены (в среднем 5 лет) поколений производимой продукции на промышленных предприятиях, развитие информационных технологий, оказывающих существенное влияние на все стадии производства и реализации продукции, приводят к дальнейшим поискам эффективных форм организации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) с распределенной структурой. Распределенная организация АСУГ1 оказалась ответом на усложнившиеся условия функционирования современного производства при создании объединений, корпораций, консорциумов в период радикальных реформ.

Создание методики поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой, обеспечивающей бесперебойное функционирование работы промышленных предприятий, в которых установлены рыночные отношения между основными звеньями, начиная от поставок сырья и кончая реализацией готовой продукции, является, несомненно, актуальной задачей.

Управление большими производственными предприятиями сегодня уже немыслимо без поддержки специального ПО (программное обеспечение), позволяющего руководству принимать правильные и своевременные решения. Сбои в работе управленческого ПО могут привести к неправильным решениям, которые часто являются дорогостоящими. В этой связи бесперебойное функционирование АСУП приобретает первостепенное значение, которое зависит от многих факторов. Это и нарушение связи между абонентами, и ошибки пользователей при работе, и многие другие факторы. Нарушение функционирования хотя бы одного из режимов работы АСУП приводит к возникновению нештатной ситуации.

Борьба с нештатными ситуациями - сложный технологический процесс, в котором задействованы подразделения квалифицированных специалистов, которые должны быстро локализовать нештатные ситуации и принимать решения но их устранению.

Крупнейшие производители программных продуктов, например, такие как Microsoft и IBM, создали множество средств, позволяющих приводить работу АСУП в работоспособное состояние. Эти дорогостоящие средства предназначены для весьма опытных и квалифицированных специалистов, что совсем не снижает стоимость эксплуатации АСУП.

Описанные параметры деятельности по устранению нештатных ситуаций предъявляют к экспертам высокие интеллектуальные и скоростные

5

требования. Наличие узкой специализации и неизбежная текучесть кадров среди экспертов проводит к заметному снижению качества обслуживания АСУП в случае отсутствия нужного специалиста.

Для того чтобы поддерживать работоспособность АСУП необходимо обеспечивать качество процесса коррекции нештатных ситуаций на должном уровне. А это требует создания методики поддержки работоспособности АСУ11 с распределенной структурой на основе обобщения опыта экспертов.

В связи со сложностью создания данной методики необходима формальная модель, на основе которой строится реально действующее программное обеспечение, которое в свою очередь повысило бы качество работы служб поддержки.

Цель и основные задачи исследования

Целью работы является повышение работоспособности АСУП за счет разработки и использования методики поддержки принятия решений по коррекции нештатных ситуаций на основе иерархического кластерного анализа в условиях неопределенности.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

•Анализ подходов к диагностике обеспечивающих подсистем АСУП, анализ возможных организационно-технических мероприятий процесса функционирования АСУП и основных подходов к оперативному принятию решений при устранении отказов и сбоев в ее работе.

• Разработка математической модели процесса принятия решений по коррекции нештатной ситуации в АСУП.

• Разработка алгоритмов и информационного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

• Разработка методики, обеспечивающей автоматизацию процесса поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой.

• Создание алгоритма управления нештатными ситуациями.

• Практическое применение предложенной методики путем внедрения программного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены с использованием методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики, когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Научная новизна

В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты:

6

í

1

\

• Разработаны математическая модель и алгоритм управления нештатными ситуациями в АСУГ1, основанные на принципах иерархического кластерного анализа и метрических свойствах теории множеств в условиях неопределенности.

• Впервые разработан алгоритм решения сетевых проблем АСУП на основе иерархического кластерного анализа с использованием методов когнитивной графики.

• Создана методика выявления, определения и устранения последствий сбоев и отказов в работе АСУП, позволяющая не только контролировать работу, но и улучшать ее характеристики. Применение этой методики позволит значительно сократить время восстановления работоспособности АСУГ1 с распределенной структурой в условиях неопределенности.

Теоретическая значимость Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

•доказана возможность коррекции нештатных ситуаций в АСУП с использованием математического аппарата кластерного анализа;

• проведена модернизация существующих алгоритмов коррекции нештатных ситуаций АСУП за счет введения переменных, описывающих процесс коррекции нештатных ситуаций. На основе этих переменных вводится понятия прецедента, основного источника информации о нештатных ситуациях в АСУП и способах их коррекции, и справочника прецедентов, объединяющего все известные прецеденты;

•доказана строгая иерархия на конечном множестве соответствии с положениями кластерного анализа;

• разработана математическая модель базы знаний коррекции нештатных ситуаций на основе системных переменных и множества правил, заданных имеющимися прецедентами. Важной особенностью определенной базы знаний является наличие метрических отношений между прецедентами и правилами, находящимися в ней.

Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в т.ч. методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики, когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики подтверждается тем, что:

• разработан и внедрен в промышленную эксплуатацию пакет прикладных программ, использование которого позволило качественно повысить эффективность управления нештатными ситуациями;

•определены пределы и описаны перспективы применения предлагаемых методов принятия решений в АСУП;

•даны методические рекомендации по совершенствованию и модернизации коррекции нештатных ситуаций в АСУП, что привело к минимизации временных и финансовых затрат, связанных с восстановлением АСУП после сбоев в работе за счет автоматизации принятия адекватных решений;

• проведена апробация предлагаемой методики коррекции нештатных ситуаций, которая повысила надежность работы сети предприятия.

В конечном итоге, предлагается комплексной подход с применением инструментальных исследований, обеспечивающий эффективное решение задачи управления нештатными ситуациями в АСУП.

Оценка достоверности результатов исследования

Оценка достоверности исследования выявила:

•экспериментальные результаты получены с использованием лицензионного программного обеспечения с применением разработанного программного модуля на различных аппаратных платформах;

•теоретические изыскания построены на известных методах теории множеств, иерархического кластерного анализа, когнитивной графики;

• идея базируется на проведенном анализе практики и обобщении передового опыта построения АСУП;

• использованы современные средства и методики проведения исследований, доказывающие обоснованность применения разработанного метода принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП ввиду согласованности данных эксперимента и научных выводов.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в:

• проведении анализа существующих способов разработки модели коррекции нештатных ситуаций;

• непосредственной разработке алгоритма на основе метода иерархического кластерного анализа при принятии решений о нивелировании нештатных ситуаций в сети предприятия;

•разработке алгоритма поиска решений при коррекции нештатной ситуации;

• разработке алгори тма актуализации базы знаний;

•личном участии во внедрении разработанного пакета прикладных программ в эксплуатацию АСУП;

• непосредственной подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реал иза ц и я рсзул ьтатов

Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения, которое используется для диагностики АСУП с распределенной структурой.

Методы диагностики АСУП и решения сетевых проблем использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 23.01.01 на кафедре «Персональные компьютеры и сети» Московского государственного университета приборостроения и информатики, а также использованы при эксплуатации корпоративной сети ЗАО «РДТИХ» и КБ «ЭлектронСистема».

Достоверность

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: использованием понятий и выводов теории множеств и кластерного анализа; результатами математического моделирования предложенных методов на ПЭВМ; разработкой действующих программных средств, подтвержденных свидетельствами об официальной регистрации; апробацией предложенных методик расчета для конкретных случаев; наличием актов внедрения результатов диссертационной работы.

Апробация работы

Научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» Москва, МГУ ПИ 17-19 апреля 2012 года, международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008» (Украина, Одесса), международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии ПаВТ'2009» (Россия, г. Москва), международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Россия, г. Воронеж), 2008.

По теме диссертации опубликован�