автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы принятия решений в управлении высокотехнологичным проектом

На правах рукописи

Сомов Александр Сергеевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫМ ПРОЕКТОМ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (информатика

и вычислительная техника)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 г СЕН 2013

Ростов на Дону - 2013

005533005

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южный федеральный университет». Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Петраков Владимир Александрович. Официальные оппоненты:

Веселое Геннадий Евгеньевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Синергетики и процессов управления», ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет».

Лубенцов Валерий Фёдорович, доктор технических наук, профессор кафедры «Информационные системы, электропривод и автоматика», Невинномысского технологического института ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Невинномысск;

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Донской государственный технический университет».

Защита диссертации состоится «03» октября 2013 г. в 14 час. 20 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.208.22 Южного федерального университета по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП - 17А, 347928, г. Таганрог, Ростовская область, ауд. Д — 406.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП — 17А, 347928, г. Таганрог, Ростовская область, ауд. Д -406.

С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке Южного федерального университета по адресу: ул. Пушкинская, 148, г. Ростов - на- Дону, 344400.

Автореферат разослан «3/ » & 2013 г

Учёный секретарь диссертационного

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Основой современных методов управления проектами являются методики сетевого планирования и структуризации работ, разработанные в конце 50-х годов XX века. В практике и теории проектирования, учитывая управление проектом, как принято, рассматривается достаточно малое количество методов исследования, разработки задач и подходов. В реализации таких подходов в проектном управлении чаще всего рассматривается ограничение времени для завершения проекта. Содержание определяется набором действий, которые необходимы для достижения конечного результата, а ограничение стоимости определяется бюджетом, который выделяется для осуществления целей и работ проекта. Данные ограничения часто конкурируют между собой. В разработке алгоритмов проектирования и управления при таком подходе чаще всего используются методы, зарекомендовавшие себя при управлении структурированными проектами. Ресурсами же управления в таком случае рассматривается порядок действий для достижения конечного результата.

Другой подход к управлению проектом рассматривает следующие ограничения: человеческие ресурсы, время и финансы. При необходимости уменьшить длительность выполнения проекта можно за счёт увеличения численности специалистов для решения поставленной задачи, что повлечёт за собой увеличение стоимости проекта. В результате того, что данный проект будет реализован быстрее, возможно избежать роста стоимости, минимизировав расходы на равную величину в любой другой части текущего проекта. Методология проектирования и управления здесь практически та же самая, что и в предыдущем подходе. Отличие может быть лишь в выборе метода из структурированных. Ресурсом управления в этом случае является количество людей, участвующих в проекте.

Содержание, назначение, характеристики, а так же особенности высокотехнологичного проекта не вписываются в ранее определённые подходы к процессу формирования и проектирования его ресурса, включая синтез профессиональных компетенций исполнителей, основанных на адаптации их состава и свойств к необходимым характеристикам объекта проектирования. Такой подход должен за-

ключаться в системном синтезе характеристик проекта и ресурса управления им, которые направлены на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного проекта. Это позволит исследовать структуру управления проектом как социотехническую систему и использовать при её разработке современные методы системного синтеза, которые включают синтез профессиональных компетенций исполнителей. В данном случае социотехническую систему возможно рассмотреть как высокотехнологичный продукт, при создании которого можно использовать методы технико-технологического и научно-образовательного форсайтов.

Разработка методов, моделей, алгоритмов и программ системного проектирования и управления сложными высокотехнологичными объектами, таким образом, становится актуальной задачей. Значительный вклад в решение этой проблемы внесли отечественные и зарубежные учёные: Арчибальд Р.Д. - методы управления структурированными проектами и программами; Колесников A.A. - методы системного синтеза управления слабоструктурированными процессами и многокритериальная оптимизация; Мелихов А.Н., Берштейн Л.С., Курейчик В.М. - нечёткие модели для экспертных систем в проектировании слабоструктурированных объектов и др.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом в результате разработки и использования методики, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей. Такой подход потребовал разработать: наилучший по стоимости резервный план, новые математические модели и алгоритмы применения этих моделей при минимизации времени выполнения заданной стоимости проекта, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, плана, позволяющего одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сокращение критического пути, сглаживание потребностей в ресурсах, приведе-

ние проекта в соответствие с ограничениями по ресурсам; процедуру формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющую структурировать построение образовательной среды по индикаторам высокотехнологичного проекта на основе модели, позволяющей провести синтез профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Идея работы заключается в представлении управления слабоструктурированным проектом, как системы проектирования высокотехнологичного объекта и его ресурса в виде профессиональных компетенций на основе адаптации их состава и свойств к целевым характеристикам объекта проектирования.

Объект исследования - высокотехнологичные слабоструктурированные объекты и процессы.

Предмет исследования - алгоритмы, методы и модели принятия решений в управлении высокотехнологичными объектами.

Методы исследования. Для достижения поставленных задач применялись методы системного анализа и управления, теории принятия решений, теории графов, вычислительной математики, системного проектирования.

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования определена точным применением указанных методов и подкрепляется результатами экспериментов, проведённых с помощью разработанного программного обеспечения, успешным практическим применением результатов диссертационной работы, что показано в актах внедрения.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Методика системного синтеза ресурса проектирования, направленного на создание конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей;

2. Модели и алгоритмы, а также их применение при минимизации времени выполнения проекта с заданной стоимостью, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, алгоритмы, позволяющие одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сократить критический

путь, сгладить потребности в ресурсах, привести проект в соответствие с ограничениями по ресурсам;

3. Процедура формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющая структурировать образовательную среду по индикаторам высокотехнологичного слабоструктурированного проекта на основе модели синтеза профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что поставлена и решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом путём системной разработки продукта с конкурентными характеристиками и профессиональных компетенций исполнителей, необходимых для его разработки, а именно:

Предложена методика, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей и реализующая:

1. Новые модели и алгоритмы, их применение при минимизации времени выполнения проекта заданной стоимости, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, алгоритмы, позволяющие одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сократить критический путь, сгладить потребности в ресурсах, привести проект в соответствие с ограничениями по ресурсам;

2. Новую процедуру формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющую структурировать построение образовательной среды по индикаторам высокотехнологичного слабоструктурированного проекта на основе модели синтеза профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Практическая значимость работы заключается:

1. В практической реализации результатов диссертационной работы в виде среды поиска принятия решений, основанной на разработанных моделях, алгоритмах и программах для управления высокотехнологичными проектами, в том числе, для проектирования альтернативных структур и схем газораспределения;

2. В повышении эффективности образовательной среды, динамично определяющей профессиональные компетенции и механизмы их формирования в управлении высокотехнологичными проектами и программами;

3. В использовании разработанной программной оболочки, позволяющей в автоматическом режиме формировать профессиональные компетенции и соответствующую им предметную среду по основным индикаторам высокотехнологичного проекта.

Связь работы с научно - исследовательскими программами. Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Высокие технологии» ЮФУ при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.

В 2012 - 2013 гг. исследование поддерживается в рамках ФЦП «Исследования и разработка по приоритетным направления развития научно - технологического комплекса России на 2007 - 2013 годы» (государственный контракт: 16.552.11.7090).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях с международным участием КомТех «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении» (г. Таганрог, 2011г., 2012г., 2013 г. соответственно); IX Всероссийская научная конференция молодых учёных, аспирантов и студентов «Информационные технологии, системный анализ и управление» (г. Таганрог 2012 г.); Международном молодёжном научно-техническом форуме «Дорога к звёздам» (г. Москва, 2012 г.); XI Всероссийской научной конференции молодых учёных, аспирантов и студентов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления» (г. Таганрог 2012 г.)

Публикации. Основное содержание, а также теоретические и прикладные результаты диссертационной работы отражены в 9 опубликованных научных работах, в том числе в 4 статьях по списку ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, выводов, заключения, библиографического списка, приложений. Основная часть работы изложена на 171 странице машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении доказывается значительность сформулированной темы, поставлены цель и задачи исследования, изложена краткая характеристика работы, раскрываются научная новизна и практическая значимость.

В первой главе описана предметная область исследования и ее особенности, определены основные термины и понятия, используемые в работе. Проведена классификация проектов по индикаторам и исследованы ресурсы их управления, в том числе:

1. Структурированный проект 0.= {Б ,х , У(х),/Кзд.Тзд, С}. Здесь £> - множество этапов выполнения проекта; х0 - первый этап; х0 & Д V (х) — конечное множество набора действий в реализации отдельных этапов х; / (я, V) -функция переходов. Из предыдущего этапа проект переходит в последующий под воздействием определённого набора действий V (технологии, инструмент, пакеты прикладных программ или выбором человеческого ресурса (количество) в состояние /(х,х<)), х еД V 6 V (х), /(х, V) е Д 5(х,у) - функция платежа. При этом V € V определяется из условий Г(х,у) < Тзд, я(х,у) в С, К(х,у) £ Кзд, где Тзд, С, К(х^) -заданные время, стоимость и содержание проекта.

2. Неструктурированный или слабоструктурированный проект

£2" = {£>; х0; Р; V (х), / (х, у), ¿(х.у)}. Здесь О - множество состояний проекта; х0-

начальное состояние; Б - множество конечных состояний, ^еД^Й/'.^сВ; V (х) - конечное множество возможных в состоянии х ресурсов (управления),

x e D\F; f (x, v) - функция переходов(из состояния x под воздействием управления V проект переходит в состояние / (x,v)), x Е D\F, v Е V (x),f (x, v) 6 D; s(x,v) - функция платежа.

Проведённый анализ работ, затрагивающих вопросы постановки и решения указанных задач, показал, что разработаны и широко применяются при управлении проектами большое количество методов: метод критического пути СРМ (Critical Path Method), PERT(Program Evaluation Review Technique), гибкая методология разработки (agile software development), Agile Modeling, Agile Unified Process, Agile Data Method Rapid Application Development, RAD Feature Driven Development, Getting Real Open Unified Process, логико-структурный подход, метод PRINCE (Projectsin Controlled Environments) и др. Все эти методы сориентированы на структурированные проекты, и применение их к управлению высокотехнологичными слабоструктурированными проектами вызывает определённые трудности и неоднозначности полученных алгоритмов и программ. Постановка задачи. Для проекта iî* = {D ; xQ; F; V (x), f (x,v), s(x,v)}, где D -множество состояний проекта; xg — начальное состояние; F - множество конечных состояний, V (х) - конечное множество возможных в состоянии х ресурсов, f (x, v) - функция переходов (из состояния х под воздействием управления V проект переходит в состояние F; s(x,v) - функция платежа, определённым в области F(x(t), v(t)) > 0 пространства вектора состояния х(хьх2,...хп) и ресурса v(v,t v2,..., v„), t e [t0,T], найти закон управления из заданного класса допустимых ресурсов v для вектора v(vj,v2, ...Ущ), принимающего свои значения в области F>0 и принадлежащие нижней границе множества Парето, построенной на основе решения многокритериальной задачи оптимизации по критериям стоимости и времени исполнения проекта. Выбор такого решения не может быть единственным и определяется компромиссом между ценой и временем, т.е. в зависимости от критерия выбор решения по составу проекта, алгоритмы управления им могут быть различными. В таком подходе нарушается обычно принятая при управлении проектом его структуризация, а значит, перестают работать известные методы управления и ос-

новным ресурсом его выполнения становятся состав исполнителей и их профессиональные компетенции. Формализация процедуры многокритериальной оптимизации управления ресурсами слабоструктурированного проекта Í2 предполагает решение следующих основных задач: формирование критериев эффективности управления в социотехнической системе проектирования; нахождение множества допустимых управлений (ресурсов), путём решения многокритериальной задачи оптимизации; формализация главного правила, позволяющего выбрать наилучшее решение (ресурсы) из множества альтернатив, отвечающих ограничениям; выявление индикаторов высокотехнологичного слабоструктурированного проекта и разработка принципа адаптации профессиональных компетенций к выявленным индикаторам (алгоритм обучения).

Вторая глава отражает результаты оптимизации управления проектом. Для

0 12 п

проекта Q' стоимость 1,(7*) траектории Г= {х , х , х ,..., х } определена как сумма пошаговых платежей, имеющих место при её реализации

МГ) = ¿фг'-V) 1=1

>

где

t i-i i t i-i х —f(x ,v),veV(x ),í = 1,2,...,и.

Центральной является задача нахождения полной траектории, оптимальной по значению суммарной стоимости. Решение задачи найдено с использованием динамического программирования Беллмана.

Вторым критерием оптимизации управления проектом выбрано время его выполнения Ь (Т), которое практически всегда определяется временем выполнения критических работ. На каждом шаге из критических работ выбирается та, которая даёт максимальное сокращение критического пути. Сжатие текущей работы не превышает минимального свободного резерва, рассчитывающегося для всех работ текущего плана. Если существует несколько критических путей для получения эффекта ускорения проекта в целом, сжатие критических работ производится одновременно на всех этих путях. Происходит сжатие выбранной работы, разрабатывается новый план проекта, вычисляются параметры его времени, рассчитыва-

ется сумма прямых и косвенных затрат с учётом обновлённой длины критического пути для нового опорного плана. При общей стоимости проекта меньшей или равной, чем в предыдущем варианте, новый план проекта берётся за основной, и описанный выше алгоритм ускорения повторяется. В случае, когда сумма расходов на проект при использовании нового плана больше, чем на предыдущем этапе алгоритма, то алгоритм считается завершённым, а за приемлемый план проекта берётся его предыдущий вариант. Ресурс, оптимизирующий управление по критерию 1(1г , 12) найден путём решения многокритериальной задачи оптимизации в соответствии с предложенным алгоритмом, включающем: представление процесса в пределах выделенной итерации векторным дифференциальным уравнением, определённым в области И(х(1), У(ф > 0 пространства вектора состояния (инвестиций) х(х1,х2,...хп) и допустимых ресурсов (профессиональные компетенции исполнителей, инструментарий, в том числе ПО и др.) у2,...,у„), 1е [¡п, Т]; нахождение компонентов /, векторного функционала с наложенными на них ограничениями ¡¡¡(у)-1ю/ <М1 (¡= 1,2). Оптимальные значения 1Ю найдены с помощью известных методов. Для заданных граничных условий построен нижний участок поверхности (множество допустимых ресурсов), образованный концами не улучшаемых векторов. Реализация проекта оценивается, по существующим ресурсам v*(t) е К таким, что

1(у')=(1,(У'), X,

где

Х= {(!,, ¡2): //,- 1ю /<М,, 0 = 1,2) }

При принятии заключения о выполняемое™ проекта в области допустимых компромиссов на данной итерации по времени и стоимости необходимо убедиться, что система:

Ь = <Р (Ц ;

/1,-1а/<М1 (1 = 1,2)

совместна.

В третьей главе представлены модели и алгоритмы принятия решений в управлении слабоструктурированным проектом сети газораспределения жилого района. Для проекта заданы параметры стоимости, продолжительности работ и предельное время их выполнения.

Функция 11 преобразована к виду:

¡1 = ЕгубуХк^Л'

где

Ак =

Решение этой задачи симплекс-методом даёт оптимальный по стоимости резервный план. Если считать Т переменной величиной, то поставленная задача становится задачей параметрического линейного программирования, при которой, уменьшение времени выполнения проекта при заданной его стоимости определяется выполнением условия:

7} — Гг > (у при всех г/ йц < Гу < И^-при всех у,Г0 = О

У (Ву - Аф,) < С

Общая стоимость проекта в данном случае равна сумме прямых затрат, зависящих от продолжительности каждой работы в отдельности.

Предложены алгоритмы и получены практические результаты в нахождении альтернативных структур и схем сети газораспределения жилого района, в том числе: найден оптимальный по стоимости резервный план, определённый временем наступления событий в процессе проектирования; построены алгоритмы минимизации времени при заданной стоимости проекта, уменьшение стоимости при определённой продолжительности проекта, ускорения проекта при минимизации его стоимости, сокращения критического пути, сглаживания потребностей в ресурсах, приведения проекта в соответствие с ограничениями по ресурсам.

Для текущего проекта разработана математическая модель, определяющая взаимосвязь между временем выполнения работ с их затратами. Эта модель позволя-

ет найти наилучшее управление ресурсами, направленными на достижение наименьших затрат при определённой длительности проекта.

Так, на выполнение работы за 2 у.в.е. вместо 3-х, затрачено 150 у.д.е. Стоимость всего проекта составляет 5000 у.д.е. (рисунок1). Неверное решение по которому происходит ускорение работ, не принадлежащих критическому пути, не приводит к уменьшению длительности проекта, но способствует увеличению стоимости проекта до величины 5425 у.д.е. Следовательно, сократить время выполнения работ можно путём ускорения времени проектирования с наименьшим увеличением их общей стоимости.

А

— О.

"О.

'О-.

18 19 20 21 22 23

Продолжительность проекта, в. ед.

Рисунок 1. Область эффективного решения при минимальных сроках выполнения Стоимость проекта в целом определена прямьми затратами необходимыми на выполнение каждой из поставленных работ. Между максимальным и минимальным значениями стоимости проекта при его длительности в 24 у.в.е. существуют и другие значения в зависимости от уменьшения длительности некритических работ. В данном случае граница минимальных прямых затрат построена методом проб и ошибок. В случае рассмотрения проектов с большим количеством работ,

такой метод поиска оказывается трудоёмкой задачей. В этих ситуациях имеет смысл производить расчёт минимальных затрат при любом другом возможном значении протяжённости времени проекта, методом динамического программирования, который в наименьшие сроки позволяет определить кривую минимальных затрат. Это возможно и в тех случаях, когда соотношения между временем и затратами являются нелинейными. Таким образом, определена функция I] = ф (Ь) для рассматриваемого проекта |1, -10| < Мь где М,= 425 у.д.е.

Четвёртая глава содержит результаты разработки математической модели и алгоритм формирования профессиональных компетенций. Основой решения этой задачи стал анализ множества возможных образовательных программ, элементы которых определены на основе научно-технического и образовательного Форсайта по перспективным направлениям развития науки и техники. Образовательная среда задана совокупностью удельных показателей, характеризующих эффективность использования в процессе различных видов интеллектуальных, материальных, трудовых и капитальных ресурсов. Для проектирования новых профессиональных компетенций использованы m ресурсов, величины которых не ограничены. Нормы расхода на единицу работ и цены ресурсов заданы. Для выполнения проекта, на выпуск которого ориентирована социотехническая система, необходимо выполнить п операций соответственно на п типах ресурсов, каждый из которых характеризуется определённым набором компетенций A, (i=l,...,n). Для каждого варианта известна стоимость новых работ К? и набор характеристик hvf (i=l, ...,п; s=l, ...,r), т.е. заданы матрицы:

К, элементы которой к?- стоимость s-ro варианта i-ro типа компетенций, во взаимно однозначное соответствие которой поставлена матрица HV, элементы которой /iv,'- характеристики s-ro варианта i-ro типа компетенций. Задаётся матрица А, элементы которой au(t) определяют компетенции какого типа необходимо сформировать на шаге t: aiï(t) = 1, если на i-м шаге г-ую компетенцию необходимо заменить, остальные элементы матрицы равны 0. Последнее представляет модель формирования ресурса управления проектом. В работе определен алгоритм применения этой модели для синтеза профессиональных компетенций. Поскольку

основным ресурсом управления высокотехнологичным проектом является среда формирования новых профессиональных компетенций х и себестоимость выполнения программы С, и поскольку их оптимумы могут достигаться при различных ресурсах, эти параметры приняты в качестве критериев оптимизации: 1г=х, /?=С, причём 11 необходимо максимизировать, а 12~ минимизировать. Множество Паре-то построено в форме поверхности, вид которой зависит от числа новых профессиональных компетенций, себестоимости и величины капиталовложений. Этому множеству принадлежат все допустимые эффективные решения многокритериальной задачи оптимизации образовательного ресурса. Вторым этапом задачи является выбор эффективного решения из множества допустимых при помощи координирующего правила. Таким правилом для образовательной среды представлен принцип адаптации, заключающийся в формировании образовательной среды, динамично определяющей профессиональные компетенции и механизмы их формирования по основным индикаторам высокотехнологичного проекта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. Основным результатом диссертационной работы является: повышение эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом в результате разработки и использовании при проектировании методики, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных, системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей (1.2, с.21-25); новыми математическими моделями связи между временем выполнения проекта и его стоимостью (2.1, 2.2, 2.3 с. 57-80); оптимальным по стоимости резервным планом (3.1 с.81-88); определённым временем наступления событий в процессе проектирования и новыми алгоритмами применения этих моделей при минимизации времени выполнения заданной стоимости проекта; минимизации стоимости заданной продолжительности проекта (3.2 с.89-93), плана, позволяющего одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, ускорение проекта при минимизации его стоимости (3.3 с.93-98); сокращение критического пути,

сглаживание потребностей в ресурсах (3.4 с.98-104); приведение проекта в соответствие с ограничениями по ресурсам (3.5 с.104-114);

2. Использование предложенной методики для практического проектирования сети газораспределения в жилом районе позволило выбрать и эффективно распределить ресурсы, что снизило затраты по отношению к заданному фиксированному времени выполнения типового проекта ориентировочно на 30% (акт внедрения от 15 января 2013 г.);

3. Предложена методика формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющая структурировать процедуру построения образовательной среды на основе применения предложенных моделей и алгоритмов, в том числе: модели формирования профессиональных компетенций по индикаторам высокотехнологичного слабоструктурированного проекта (4.1 с.120); модели проектирования, позволяющей провести синтез профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации (4.1 с.121-123); алгоритма синтеза ресурса управления проектом по индикаторам высокотехнологичного проекта и модели проектирования профессиональных компетенций (4.3 с. 132-133). Предложенная методика формирования и адаптации образовательной среды к индикаторам высокотехнологичного проекта позволила профессионально и за короткий срок сформировать новую Основную Образовательную Программу по направлению подготовки «Менеджмент высоких технологий» и программу дополнительного профессионального образования «Инновации и управление в технике и технологиях», реализующих адаптацию образовательной среды к индикаторам высокотехнологичного проекта (Акт внедрения в учебный процесс результатов диссертации январь 2013 г.);

4. Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде системы поддержки принятия решений на основе разработанных моделей, алгоритмов и программ позволила:

4.1. Повысить эффективность управления выбором и проектированием альтернативных структур и схем газораспределения. Разработанные алгоритмы реализованы в виде программного комплекса «Поиск критического пути по времени и

стоимости», обладающего свойством дальнейшего развития и наращивания программно-аппаратной среды. Адекватность моделей, алгоритмов и программ, принятых для управления проектом подтверждена результатами вычислительных экспериментов: стоимость решений, генерируемых применяемыми алгоритмами и программами, в среднем на 30% ниже стоимости экспертного проекта.

4.2. Повысить эффективность построения образовательной среды, динамично определяющей профессиональные компетенции и механизмы их формирования в управлении высокотехнологичными проектами путём использования программной оболочки, позволяющей в автоматическом режиме формировать профессиональные компетенции и соответствующую им предметную среду по индикаторам высокотехнологичного проекта;

4.3. Разработанные и представленные в диссертации модели, алгоритмы и программы управления высокотехнологичным проектом используются при практическом проектировании сложных объектов и программ в ЗАО «Аксинья», а также внедрены в учебный процесс в Южном федеральном университете в виде основной образовательной программы по направлению подготовки - Менеджмент высоких технологий и используются при изучении дисциплин «Управление высокотехнологичными проектами и программами» и «Системный анализ технических и инновационных процессов» студентами специальности «Системный анализ и управление» и «Менеджмент высоких технологий».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Сомов A.C. и др. Оптимизации управления в социотехнической системе. Изв. ВУЗов. Сев. Кавк. регион. Технические науки. №2. 2012. е.- 8-10 (по списку ВАК РФ)

2. Сомов A.C. и др. Эффективное управление проектом с заданными свойствами. Изв. ВУЗов. Сев. Кавк. регион. Технические науки. 2012. №3. с.-113-115.(по списку ВАК РФ)

3. Петраков В.А., Сомов A.C. Модели и алгоритмы принятия решений в управлении проектом. Изв. ЮФУ. Техн. науки. Тем. вып.: Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении, - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, №5.2012. е.- 122-127.(по списку ВАК РФ)

4. Сомов A.C. и др. Модели принятия решений адаптации профессиональных компетенций к управлению высокотехнологичным проектом. Изв. ЮФУ. Техн. науки. Тем. вып.: Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении, - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, №5. 2013. с. -.

(по списку ВАК РФ)

5. Сомов A.C. Оптимизация управления проектом. Сб. трудов Информационные технологии, системный анализ и управление. Том 2. Таганрог ТТИ.2011. е.— 25-29.

6. Сомов A.C. и др. Принцип формирования ресурса управления высокотехнологичным проектом. Сб. трудов Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления. Том2. Таганрог ТТИ.2012. е.- 256-257.

7. Сомов A.C. и др. Принципы управления высокотехнологичным инновационным проектом. Сб. трудов 8-й Всероссийской н-т конф. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения. 10-15 сентября 2012.-С.109-111.

8. Сомов A.C. Модели, алгоритмы и программы принятия решений в управлении высокотехнологичным плохо структурированным проектом. Сб. трудов 8-й Всероссийской н-т конф. Актуальные проблемы пьезоэлектрического приборостроения. 10-15 сентября 2012. е.- 96-98.

9. Модели управления высокотехнологичным плохо структурированным проектом. Сомов A.C. //Научный аспект № 3 - 2012, - Самара: Изд-во ООО «Аспект», 2012. е.-142-146.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве: предложен новый подход к управлению высокотехнологичными плохо структурированными объектами и процессами [1]; постановка и решение задачи многокритериальной оптимизации ресурса [3]; разработана методика управления высокотехнологичным проектом [2] по критериям времени его выполнения и стоимости; предложен принцип образовательной среды и алгоритм проектирования профессиональных компетенций [4]; разработан принцип координации управления ресурсом [6,]; предложена процедура формирования профессиональных компетенций при управлении высокотехнологичным проектом на основе научно-промышленного и образовательного форсайта [7];

Подписано в печать 23.08.13. Формат 60 х 84 / г. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. п. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 3118.

Отпечатано в типографии ЮФУ 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1. Тел. (863) 247-80-51.

На правах рукописи Сомов Александр Сергеевич //¿^

04201362177

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В УПРАВЛЕНИИ ВЫСОКОТЕХНОЛОГИЧНЫМ ПРОЕКТОМ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (вычислительная техника и информатика)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов на Дону - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................................4

1. Анализ методов управления проектом.....................................................13

1.1 Управление высокотехнологичным проектом. Современное состояние................................................................................................................13

1.2 Основные подходы и методы управления проектом...........................24

1.3 Метод критического пути..........................................................................28

1.4 Метод критической цепи............................................................................33

1.5 Метод гибкой методологии разработки.................................................39

1.6 Логико-структурный подход.....................................................................43

1.7 Метод PRINCE (Projects in Controlled Environments)......................45

1.8 Управление инновационным проектом..................................................47

1.9 Постановка задачи диссертационного исследования.......................55

Выводы................................................................................................................57

2. Модели и алгоритмы управления высокотехнологичным проектом 59

2.1 Оптимизация управления проектом по стоимостному критерию .... 59

2.2 Оптимизация управления проектом по временному критерию.........70

2.3 Формализация процедуры управления проектом по векторному критерию..................................................................................................................77

Выводы................................................................................................................82

3. Модели и алгоритмы принятия решений в управлении неструктурированным проектом газификации жилого района...................83

3.1 Оптимизация стоимости выполнения проектных работ.....................83

3.2 Минимизация стоимости при заданной продолжительности проекта ...................................................................................................................................91

3.3 Ускорение проекта при минимизации его общей стоимости.............95

3.4 Сглаживание потребности в ресурсах....................................................99

3.5 Эффективное управление проектом с заданными свойствами.......105

Выводы..............................................................................................................116

4. Синтез ресурса и адаптация образовательной среды в управлении высокотехнологичным проектом....................................................................118

4.1 Синтез ресурса управления проектом...................................................118

4.2 Принцип адаптации образовательной среды формирования

профессиональных компетенций управления высокотехнологичным проектом................................................................................................................ 126

4.3 Построение кластеров профессональных компетенций...................132

Выводы..............................................................................................................151

Заключение.......................................................................................................153

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................156

Приложение П1. Программа для ЭВМ: «Поиск критического пути по

времени»................................................................................................................166

Приложение П2. Акт внедрения результатов диссертационного

исследования в учебный процесс....................................................................168

Приложение ПЗ. Акт внедрения результатов диссертационного исследования в реальное проектирование....................................................170

Введение

Актуальность исследования. Основой современных методов управления проектами являются методики сетевого планирования и структуризации работ, разработанные в конце 50-х годов XX века. В практике и теории проектирования, учитывая управление проектом, как принято, рассматривается достаточно малое количество методов исследования, разработки задач и подходов. [53].

Первый подход к управлению проектом рассматривает ограничение времени для завершения проекта. Содержание определяется набором действий, которые необходимы для достижения конечного результата, а ограничение стоимости определяется бюджетом, который выделяется для осуществления целей и работ проекта. Данные ограничения часто конкурируют между собой. В разработке алгоритмов проектирования и управления при таком подходе чаще всего используются методы, зарекомендовавшие себя при управлении структурированными проектами. Ресурсами же управления в таком случае рассматривается порядок действий для достижения конечного результата. [2, 3, 8, 17, 53].

Другой подход к управлению проектом рассматривает следующие ограничения: человеческие ресурсы, время и финансы. При необходимости уменьшить длительность выполнения проекта можно за счёт увеличения численности специалистов для решения поставленной задачи, что повлечёт за собой увеличение стоимости проекта. В результате того, что данный проект будет реализован быстрее, возможно избежать роста стоимости, минимизировав расходы на равную величину в любой другой части текущего проекта. Методология проектирования и управления здесь практически та же самая, что и в предыдущем подходе. Отличие может быть лишь в выборе метода из структурированных. Ресурсом управления в этом случае является количество людей, участвующих в проекте [2, 3, 8, 53].

Содержание, назначение, характеристики, а так же особенности высокотехнологичного проекта не вписываются в ранее определённые подходы к процессу формирования и проектирования его ресурса, включая синтез профессиональных компетенций исполнителей, основанных на адаптации их состава и свойств к необходимым характеристикам объекта проектирования.

Такой подход, на наш взгляд, динамически связан, что позволит, рассмотреть профессиональные компетенции исполнителей на том же уровне как, и инвестиции необходимые для реализации проекта. В свою очередь, это ведёт к тому, что структуру управления проектом возможно рассматреть в качестве социотехнической системы. А так же, использовать при проектировании такой системы современные методы системного синтеза [27, 28], учитывая, и синтез профессиональных компетенций исполнителей. Следовательно, социотех-ническая система будет являться высокотехнологичным продуктом, при проектировании которого возможно использовать методы технико-технологического и научно-образовательного форсайта, а, следовательно, и разработка дорожной карты на его создание. Данный подход в области проектного управления, на наш взгляд, является новым и позволяет определить наилучшие решения в системной разработке характеристик реализуемого продукта, а так же необходимых профессиональных компетенций, которые потребуются для его разработки. Так же, данный подход инициализирует новые процедуры выполнения проекта, которые не применяются известными методами управления проектом, таких как: оценка и формализация критериев проектирования и установление их связи с переменными состояния (ресурсом); разработка комплексов математических моделей, алгоритмов и программ, определяющих взаимодействие процесса проектирования и характеристик его продукта; решение оптимизационных динамических задач, результатом которых является нахождение закона изменения ресурса управления во времени, реализующего наилучшее решение многокритериальной задачи оптимизации; синтез востребованных профессиональных компетенций исполнителей; разработка методов системного синтеза наилучших проектных решений на основе

моделей социотехнических систем. Разработка программ, алгоритмов, моделей и методов системного проектирования, управления сложными высокотехнологичными объектами, таким образом, становится актуальной задачей.

Значительный вклад в решение этой проблемы внесли: Р. Д. Арчибальд -методы управления структурированными проектами и программами [53,100]; А. А. Колесников - методы системного синтеза слабо структурированными процессами и системами [27, 28], Таганрог, ТТИ ЮФУ; А.Н. Мелихов, Л.С. Берштейн, В. М. Курейчик - нечеткие модели для экспертных систем в проектировании слабоструктурированных объектов [32, 34, 35] Таганрог ТРТУ и др.

Диссертационное исследование выполнено в рамках научного направления кафедры «Системный анализ и управление» ЮФУ «Научные основы и методология информационной интеграции, системного сопровождения и реализации жизненного цикла высокотехнологичных слабоструктурированных проектов и программ»

Целью диссертационной работы является повышение эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом в результате разработки и использования методики, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей. Такой подход потребовал разработать: наилучший по стоимости резервный план, новые математические модели и алгоритмы применения этих моделей при минимизации времени выполнения заданной стоимости проекта, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, плана, позволяющего одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сокращение критического пути, сглаживание потребностей в ресурсах, приведение проекта в соответствие с ограничениями по ресурсам; процедуру формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющую структурировать построение образовательной среды по индикаторам высокотехнологичного проекта на основе мо-

дели, позволяющей провести синтез профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Идея работы заключается в представлении управления слабоструктурированным проектом, как системы проектирования высокотехнологичного объекта и его ресурса в виде профессиональных компетенций на основе адаптации их состава и свойств к целевым характеристикам объекта проектирования.

Объект исследования - высокотехнологичные слабоструктурированные объекты и процессы.

Предмет исследования - алгоритмы, методы и модели принятия решений в управлении высокотехнологичными объектами.

Методы исследования. Для достижения поставленных задач применялись методы системного анализа и управления, теории принятия решений, теории графов, вычислительной математики, системного проектирования.

Достоверность и обоснованность диссертационного исследования определена точным применением указанных методов и подкрепляется результатами экспериментов, проведённых с помощью разработанного программного обеспечения, успешным практическим применением результатов диссертационной работы, что показано в актах внедрения.

Основные положення диссертации, выносимые на защиту:

1. Методика системного синтеза ресурса проектирования, направленного на создание конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей;

2. Модели и алгоритмы, а также их применение при минимизации времени выполнения проекта с заданной стоимостью, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, алгоритмы, позволяющие одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сократить критический путь, сгладить потребности в ресурсах, привести проект в соответствие с ограничениями по ресурсам;

3. Процедура формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющая структурировать образовательную среду по индикаторам высо-

котехнологичного слабоструктурированного проекта на основе модели синтеза профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что поставлена и решена актуальная научно-практическая задача повышения эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом путём системной разработки продукта с конкурентными характеристиками и профессиональных компетенций исполнителей, необходимых для его разработки, а именно:

1. Предложена методика, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей и реализующая:

2. Новые модели и алгоритмы, их применение при минимизации времени выполнения проекта заданной стоимости, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта, алгоритмы, позволяющие одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, сократить критический путь, сгладить потребности в ресурсах, привести проект в соответствие с ограничениями по ресурсам;

3. Новую процедуру формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющую структурировать построение образовательной среды по индикаторам высокотехнологичного слабоструктурированного проекта на основе модели синтеза профессиональных компетенций путём решения многокритериальной задачи оптимизации.

Практическая значимость работы заключается:

1. В практической реализации результатов диссертационной работы в виде среды поиска принятия решений, основанной на разработанных моделях, алгоритмах и программах для управления высокотехнологичными проекта-

ми, в том числе, для проектирования альтернативных структур и схем газораспределения;

2. В повышении эффективности образовательной среды, динамично определяющей профессиональные компетенции и механизмы их формирования в управлении высокотехнологичными проектами и программами;

3. В использовании разработанной программной оболочки, позволяющей в автоматическом режиме формировать профессиональные компетенции и соответствующую им предметную среду по основным индикаторам высокотехнологичного проекта.

Результаты и выводы диссертации:

1. Повышение эффективности управления высокотехнологичным слабоструктурированным проектом достигнуто в результате разработки и использовании методики, оригинальность которой заключается в применении нового подхода, отличающегося от известных системным синтезом ресурса проектирования, направленным на формирование конкурентных характеристик высокотехнологичного продукта и профессиональных компетенций исполнителей (1.2, с.21-25), новыми математическими моделями связи между временем выполнения проекта и его стоимостью (2.1, 2.2, 2.3 с. 57-80), оптимальным по стоимости резервным планом (3.1 с.81-88), определенным временем наступления событий в процессе проектирования, и новыми алгоритмами применения этих моделей при минимизации времени выполнения заданной стоимости проекта, минимизации стоимости заданной продолжительности проекта (3.2 с.89-93), плана, позволяющего одновременно ускорить выполнение проекта и минимизировать его стоимость, ускорение проекта при минимизации его стоимости (3.3 с.93-98), сокращение критического пути, сглаживание потребностей в ресурсах (3.4 с.98-104), приведение проекта в соответствие с ограничениями по ресурсам (3.5 с.104-114);

2. Использование предложенной методики для практического проектирования системы газораспределения в жилом районе позволило выбрать и эффективно распределить ресурсы, что снизило затраты по отношению к задан-

ному фиксированному времени выполнения типового проекта ориентировочно на 30% (акт внедрения от 15 января 2013 г.);

3. Предложена методика формирования и адаптации профессиональных компетенций, позволяющая структурировать процедуру построения образовательной среды на основе применения предложенных моделей и алгоритмов, в том числе: модели формирования профессиональных компетенций по индикаторам высокотехнологичного слабо структурированного проекта (4.1 с. 120),; модели проектирования, позволяющей провести синтез профессиональных компетенций путем решения многокритериальной задачи оптимизации (4.1 с. 121-123); алгоритма синтеза ресурса управления проектом по индикаторам высокотехнологичного проекта и модели проектирования профессиональных компетенций (4.3 с. 132-133). Предложенная методика формирования и адаптации образовательной среды к индикаторам высокотехнологичного проекта позволила профессионально и за короткий срок сформировать новую Основную Образовательную Программу по направлению подготовки «Менеджмент высоких технологий» и программу дополнительного профессионального образования «Инновации и управление в технике и технологиях», реализующих адаптацию образовательной среды к индикаторам высокотехнологичного проекта (Акт внедрения в учебный процесс результатов диссертации январь 2013 г.);

4. Практическая реализация результатов диссертационной работы в виде системы поддержки принятия решений, которая основывается на разработанных моделей, алгоритмов и програм