автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы синтеза надежной структуры системы сбора и обработки информации для управления сложными объектами

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Распределенная система сбора и обработки информации для управления сложными объектами

§1.1. Технологических процесс переработки ядерного топлива

§ 1.2. Мобильный измерительный комплекс диагностики и мониторинга ядерных объектов и сооружений

§ 1.3. Распределенная автоматизированная система сбора и обработки информации для управления сложным техническим объектом 22 Выводы

ГЛАВА 2. Модели выбора надежных вариантов структуры распределенной системы управления

§2.1. Задача определения коэффициентов готовности по технологическому контуру без учета структуры ВКУ

§ 2.2. Задача определения коэффициентов готовности по технологическому контуру с учетом подсистем ВКУ

§ 2.3. Анализ и формализация задачи выбора эффективного варианта 47 технологического контура системы управления

§ 2.4. Анализ и формализация задачи оптимизации загрузки ресурсов 51 системы распределенного управления несколькими объектами Выводы

ГЛАВА 3. Модели оценки надежности многопроцессорных вычислительных комплексов распределенных систем управления сложными объектами

§3.1. Работа вычислительных систем комплексов управления в реальном масштабе времени

§ 3.2. Аналитическая модель расчета производительности для МВК с 77 произвольным количеством однородных процессоров и одношинным интерфейсом

§ 3.3. Аналитическая модель расчета производительности для МВС с произвольным количеством однородных процессоров и шин интерфейса

§ 3.4. Аналитическая модель расчета надежности для МВК с произвольным количеством однородных процессоров и одношинным интерфейсом

§ 3.5. Аналитическая модель расчета надежности для МВК с произвольным количеством однородных процессоров и шин интерфейса

§ 3.6. Формализация задач выбора эффективного варианта МВК распределенных систем управления

Выводы

ГЛАВА 4. Алгоритмическое и программное обеспечение решения задач синтеза надежных структур распределенных систем управления

§ 4.1. Эволюционные и генетические алгоритмы

§ 4.2. Методы решения задач условной оптимизации адаптивными 118 поисковыми алгоритмами

§ 4.3. Имитационный эволюционный алгоритм

§ 4.4. Программная система синтеза надежной структуры 137 распределенной системы сбора и обработки информации

Осуществляемая в настоящее время государственная политика ядерной энергетики определена "Энергетической стратегией России до 2020 года" и разработанной на ее основе "Стратегией развития атомной энергетики России в первой половине XXI века". Реализация этой политики предусмотрена Федеральной целевой программой "Энергоэффективная экономика на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года" и в ее составе подпрограммой 2 "Безопасность и развитие атомной энергетики РФ на 2002-2005 годы и на перспективу до 2010 года". Это определяет необходимость организации работ по созданию технологической базы крупномасштабной атомной энергетики на основе новой стратегии ее развития.

Крупномасштабная атомная энергетика - это энергетика без радиационных последствий для населения. Чтобы достичь этого результата, должна быть обеспечена безаварийная и эффективная работа действующих, замещающих и новых систем. Стратегией развития атомной энергетики предусмотрено решение важнейших задач по обеспечению безопасности, а именно: поддержание безопасного и эффективного функционирования действующих АЭС и разработка и овладение в ; промышленных масштабах ядерной энерготехнологией, отвечающей требованиям крупномасштабной энергетики по экономике и безопасности. Одним из основополагающих принципов разработки новых конкурентоспособных систем в ядерной энергетике является принцип "естественной безопасности", отказ о стереотипа "чем дороже, тем безопаснее" и переход к норме "чем безопаснее, тем дешевле".

Последовательная реализация этого принципа приводит к значительному удешевлению ядерных технологий при повышении их безопасности. В совокупности с принятой в настоящее время концепцией "внешней цены", которая включает в стоимость производимой электроэнергии оценки затрат на обеспечение безопасности и защиты окружающей среды, в частности тяжелых аварий с очень малой вероятностью их возникновения, принцип естественной безопасности позволяет переходить к разработке распределенных систем управления опасными производствами, основанным на многопроцессорной вычислительной технике и внедрении спецпроцессоров в места сбора информации о процессе для того, чтобы исключить передачу данных на значительные расстояния и обрабатывать их непосредственно на месте получения. Все это и определяет актуальность данной диссертационной работы.

Целью диссертационных исследований являлась разработка моделей оценки надежности распределенных многопроцессорных систем обработки информации и управления сложными объектами и построение алгоритмов формирования структуры таких систем управления.

Эта цель обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Анализ процессов функционирования распределенных систем управления сложными техническими системами и определение критериев их общей эффективности.

2. Разработка математических моделей оценки надежности распределенных систем сбора и обработки информации и управления в условиях возникновения отказов и автоматического восстановления работоспособности.

3. Разработка моделей оценки надежности многопроцессорных вычислительных комплексов (МВК) распределенных систем управления сложными объектами.

4. Построение моделей формирования структуры распределенных систем управления в виде оптимизационных задач и разработка алгоритмов оптимизации, эффективно решающих поставленные задачи.

5. Решение с помощью построенных моделей и разработанных программных средств реальных задач выбора надежных вариантов высокопроизводительных специализированных МВСг оперативного управления сложными техническими системами.

Методы исследования. Системный анализ, теория вероятностей, теория массового обслуживания, имитационное моделирование, комбинаторика, теория оптимизации.

Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:

1. Построены новые математические модели выбора надежных структур распределенных систем управления сложными объектами.

2. Построены новые модели оценки надежности МВК распределенных систем управления сложными объектами.

3. Показано, что задачи выбора надежных вариантов адекватно формализуются в виде задач дискретной и смешанной оптимизации с алгоритмически заданными критериями и ограничениями.

4. Предложены новые алгоритмы решения задач условной оптимизации с алгоритмически заданными функциями и методика выбора наиболее эффективного алгоритма.

Практическое значение. Диссертационная работа выполнялась в рамках комплексной программы "Технология и оборудование современных процессов (Прогресс-99)" и по проектам межотраслевых программ Минобразования России и Минатома России( 1999-2000), а также в рамках заказ-нарядов НИР НИИ СУВПТ (1998-2001 гг.), финансируемых из средств федерального бюджета, а также по договору №11/99 "Разработка комплекса систем и средств обеспечения эффективности и адаптируемости к внешним условиям крупных специализированных градообразущих предприятий в условиях ЗАТО" между НИИ СУВПТ и ГХК

Модели, алгоритмы и программное обеспечение, разработанные в ходе выполнения диссертации, апробировались на реальных данных задач оценки эффективности структуры системы управления технологическими процессами Горно-химического комбината (г. Железногорск).

Модели оценки надежности распределенных систем управления использовались на кафедре системного анализа и исследования операций Сибирской аэрокосмической академии (CAA) при проведении занятий по дисциплинам "Системный анализ", "Теория оптимизации", на кафедре информатики CAA при проведении занятий по дисциплине "Устройство и функционирование ЭВМ" и на кафедре механики и процессов управления Красноярского госуниверситета при проведении занятий по спецкурсам "Прикладной системный анализ" и "Управление сложными системами".

На защиту выносятся:

1. Математические модели оценки надежности распределенных систем управления в условиях возникновения отказов и автоматического восстановления работоспособности.

2. Математические модели оценки основных показателей надежности распределенных МВК оперативного управления.

3. Алгоритмы прямого поиска решения дискретных задач условной оптимизации с алгоритмически заданными функциями.

4. Программная система решения задач условной оптимизации поисковыми алгоритмами, ориентированная на ограничения произвольной формы и позволяющая эффективно осуществлять выбор надежных вариантов распределенных систем управления сложными объектами.

Публикации. По теме диссертации опубликовано более двух десятков работ. Список основных публикаций приведен в конце диссертации.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы прошли всестороннюю апробацию на всероссийских и международных конференциях и семинарах. В том числе на всероссийской конференциях "Непараметрика'97" и "Непараметрика'2000", на международной AMSE конференции ССМ'99 в Испании, международной научно-практической конференции 1-го Сибирского аэрокосмического салона (2001), научно-практической конференции МИФИ (2002). Диссертационная работа обсуждалась на научных семинарах кафедр информатики и системного анализа и исследования операций Сибирской аэрокосмической академии (19992002), научно-технических советах ГХК и НИИ СУВПТ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проведен анализ функционирования отраслевого предприятия Минатома в условиях ЗАТО, выявлена и изучена его проблематика.

2. Установлены и исследованы основные свойства системы управления ГХК в составе ЗАТО.

3. Выполнен анализ проблематики создания информационной среды отраслевого предприятия Минатома в условиях ЗАТО.

4. Разработаны модели формирования эффективной структуры распределенной информационной системы для управления сложным объектом.

5. Разработаны модели выбора эффективной структуры распределенного вычислительного комплекса системы управления сложным объектом.

6. Задачи формирования структуры распределенной системы управления сложными объектами формализованы в виде задач условной дискретной оптимизации с алгоритмически заданными целевыми функциями и ограничениями.

7. Обоснован и реализован модифицированный метод адаптивного поиска, позволяющий эффективно решать полученные оптимизационные задачи.

8. Модели и методы, разработанные в диссертации, апробированы на реальных практических задачах.

Таким образом, в диссертационной работе осуществлено решение проблемы выбора эффективных структур распределенных информационных систем для управления сложными организационно-техническими объектами, и и имеющеи важное народно-хозяйственное значение.

1. Поляков A.C., Захаркин Б.С., Смелов B.C. и др. Состояние и перспективы технологии переработки отработавшего топлива // Атомная энергия, Т.89, вып. 4, 2000. С. 284-293.

2. Волк В.И. Новые подходы к процессу переработки отработавшего ядерного топлива // 2-я Межд. конф. и выставка "Радиационная безопасность", С.-Петербург, 1999.

3. Адамов Е.О., Ганев И.Х., Лопаткин A.B. и др. Трансмутационный топливный цикл в крупномасштабной ядерной энергетике России. М.: НИКИЭТ, 1999.-252 с.

4. Римский-Корсаков A.A., Романовский В.Н., Любцев Р.И., Лазарев Л.Н. Разработки НПО "Радиевый институт" в области обращения с радиоактивным отходами ЯТЦ // Атомная энергия, Т.89, вып. 4, 2000. -С. 293-303.

5. Ушаков И.А. О вычислении среднего стационарного времени пребывания полумарковского процесса в подмножестве состояний // Изв. АН СССР. Техн. кибернетика, № 4, 1990.

6. Тихонов В.И., Миронов H.A. Марковские процессы. М.: Сов. Радио, 1977.-488 с.

7. Семенкин Е.С., Лебедев В.А. Метод обобщенного адаптивного поиска для синтеза систем управления сложными объектами. М.: МАКС Пресс, 2002. - 320 с.

8. Семенкин Е.С., Семенкина О.Э., Коробейников С.П. Поисковые методы синтеза систем управления космическими аппаратами. Красноярск: СИБУП, 1996,- 325 с.

9. Воловик М.А. Коэффициент готовности прибора со встроенной системой контроля // Системный анализ и исследование операций. -Новосибирск: ВЦ АН СССР, 1997.

10. Ю.Липаев В.В., Штрик A.A. Эффективность однородных вычислительных систем, работающих в реальном масштабе времени // Управляющие системы и машины, 1978, № 1. С. 58-64.

11. П.Кручинин С. Стандартные тесты измерения производительности // Computer week, 5(211), 1996.

12. Нейман Дж. Вероятностная логика и синтез надежных организмов из ненадежных компонент // Автоматы. М.: ИЛ, 1956. - С. 68-139.

13. Евреинов Э., Хорошевкий В. Однородные универсальные вычислительные системы высокой производительности. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1966. - 122 с.

14. Н.Козлов Б.А. Ушков И.А. Справочник по расчету надежности. М.: Советское радио, 1966. - 425 с.

15. Kühl J., Reddy S. Fault-tolerance considerations in large, multiple-processor systems // Computer, March 1986. Pp. 56-67.

16. Лебедев В. А., Терсков В. А. Моделирование и оптимизация многопроцессорных систем оперативного управления. М.: МАКС Пресс, 2002. - 330 с.

17. Schwefel Н.-Р. Evolution and optimum seeking. NY: Whiley Publ., 1995. -612 p.

18. Holland J. H. Adaptation in natural and artificial systems. Ann Arbor: The University of Michigan Press, 1975.

19. Тынченко C.B. Модели и алгоритмы выбора надежных вариантов многопроцессорных вычислительных комплексов оперативного управления сложными техническими системами. Дисс. канд. техн. наук, CAA, 2000.- 147 с.

20. Абрамович К.Ю. Методы решения специальных классов задач оптимизации при синтезе управления космическими аппаратами. -Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. Красноярск: CAA, 1997. 156 с.

21. Автоматизация поискового конструирования // Под ред. Половинкина А.И. М.: Радио и связь, 1981. 344 с.

22. Баранов В.И., Стечкин Б.С. Экстремальные комбинаторные задачи и их применение. М.: Наука, 1989. 160 с.

23. Береснев В.А., Гимади Э.Х., Дементьев В.Т. Экстремальные задачи стандартизации. Новосибирск: Наука, 1978. 333 с.

24. Букатова И.Л., Ю.И.Михасев, А.М.Шаров. Эвоинформатика: Теория и практика эволюционного моделирования. -М.: Мир, 1991. 206 с.

25. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991.

26. Вишневская С.Р. Аппроксимация в задачах оптимизации управления космическими аппаратами. Дисс. на соиск. уч. степени канд. техн. наук. - Красноярск: CAA, 1997. 167 с.

27. Воловик М.А. Методы и модели коллективного анализа и проектирования структур технологии управления космическими аппаратами. Дисс. на соиск. уч. степени доктора техн. наук. -Красноярск: КГТУ, 1997. 340 с.

28. Ильичев A.B. Эффективность проектируемой техники: основы анализа. М.: Машиностроение, 1991. 336 с.

29. Кендалл М. Дж., Стюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Наука, 1973.-900 с.

30. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.-432 с.

31. Корбут A.A., Финкелыптейн Ю.Ю. Дискретное программирование. -М.: Наука, 1969.

32. Коробейников С.П. Методы многокритериальной оптимизации для задач синтеза управления сложными объектами. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. - Красноярск: ГХК, 1997. 174 с.

33. Королюк В. С., Турбин А. Ф. Процессы марковского восстановления в задачах надежности систем. Киев: Наукова думка, 1982.

34. Ларичев О.И., Моргоев В.К. Проблемы, методы и системы извлечения экспертных знаний. Автоматика и телемеханика, №6, 1991. Сс. 3-27.

35. Ларичев О.И., Мовшевич E.H. Качественные методы принятия решения.- М: Наука, 1996. 286 с.

36. Лбов Г.С. Методы обработки разнотипных экспериментальных данных.- Новосибирск: ИМ СО АН СССР, 1981. 160 с.

37. Моисеев H.H. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975.

38. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность. М.: Мир, 1979.

39. Растригин Л.А. Статистические методы поиска. М.: Наука, 1968.

40. Растригин Л.А. Адаптация сложных систем. Рига: Зинатне, 1981.

41. Растригин Л.А., Фрейманис Э.Э. Решение задач разношкальной оптимизации методом бинаризации. Вопросы разработки ТАСУ. Кемерово: НТО, 1984. Вып. 3. Сс.39-48.

42. Розманов И.П. К вопросам постановки анализа построения автоматизированной системы контроля и прогноза горного давления // Сб. научн. тр. "Сибцветметавтоматика". М.: "Цветная металлургия", 1997.-С. 89-102.

43. Розманов И.П. Разработка математической модели акустических сигналов и помех в горных породах // Сб. научн. тр. По проблемам повышения эффективности систем связи и управления. М.: "Цветная металлургия", 1998. - С. 37-49.

44. Семенкин Е.С. и др. Методы решения сложных оптимизационных задач и системы искусственного интеллекта. Вестник КГТУ, вып. 5. Красноярск: КГТУ, 1996. Сс. 108-112.

45. Семенкин Е.С. и др. Коэволюционный генетический алгоритм. Вестник КГТУ, вып. 5. Красноярск: КГТУ, 1996. Рр. 69-76.

46. Тихонов В. И., Миронов Н. А. Марковские процессы. М.: Советское радио, 1977.-488 с.

47. Ушаков И. А. О вычислении среднего стационарного времени пребывания полумарковского процесса в подмножестве состояний // Извещение АН СССР. Техническая кибернетика. 1990. - № 4.

48. Fridman A., Levner Е. Advances in Discrete Optimization. 14th IFIP Conf. on System Modelling and Optimization. - Leipzig: Techn. Hochschule, 1989. Heft 4.

49. Goldberg D.E. (1989). Genetic Algorithms in search, optimization and machine learning

50. Holland J.H. Outline for a logical theory of adaptive systems. Journal of the Association for Computing Machinery, 1962.

51. Michalewicz Z. Genetic algorithms, numerical optimization and constraints. // Proc. of the Sixth Int. Conf. on Genetic Algorithms and their Applications, Pittsburgh, PA, 1995.

52. Michalewicz Z. Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs. Springer Verlag, New York, second edition, 1992.

53. Barbosa H.J.C. On genetic algorithms for min-max problems. Evolutionary computation and its applications. Moscow: Presidium of the RAS, 1996. Pp. 99-109.

54. Публикации автора по теме диссертации

55. Гарипов В.Р., Жидков В.В., Терсков В.А. Программная система поддержки моделирования сложных систем в виде марковских процессов // Вестник НИИ СУВПТ, вып. 2. Красноярск: НИИ СУВПТ, 1999.-С. 178-180.

56. Горобченко А.Д., Губарь А.С., Жидков В.В. и др. О разработке проекта энергозамещающей подземной АТЭС для Красноярского ГХК // Известия ВУЗов. Физика, № 4, 2000. С. 66-70.

57. Губарь А.С., Жидков В.В., Исляев Ш.Н. и др. Создание промышленной технологии радиационной обработки ИЭТ // Известия ВУЗов. Физика, №4, 2000. С. 35-37.

58. Губарь А.С., Жидков В.В., Зяпаров И.Р. и др. Развитие комплексного использования ПУГР для радиационных технологий // Известия ВУЗов. Физика, № 4, 2000. С. 38-40.

59. Жидков В.В. Анализ формальных моделей синтеза распределенных систем управления сложными техническими системами // Интеллектуальные технологии и адаптация. Красноярск: НИИ СУВПТ, 1999.-С. 32-41.

60. Жидков В.В. Алгоритмы прямого поиска для решения задач условной оптимизации сложных систем // Адаптация и управление в сложных системах. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - С. 34-41.

61. Жидков В.В., Комиссаров В.В., Ларченко В.В. Комплексный сейсмомониторинг технических систем для изучения их реакции на динамические процессы в земной коре // Геодинамика и напряженное состояние недр Земли Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. - С. 349355.

62. Жидков В.В., Терсков В.А. Аналитическая модель оценки надежности функционирования МВС // Вестник НИИ СУВПТ, вып. 2. Красноярск: НИИ СУВПТ, 1999. - С. 283-289.

63. Коробейников С.П., Жидков В.В. Автоматизированная система управления сложным техническим объектом // Вестник НИИ СУВПТ, вып. 7. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2001. - С. 54-59.

64. Семенкина О.Э., Жидков В.В. Оптимизация управления сложными системами методом обобщенного локального поиска. М.: МАКС Пресс, 2002.-215 с.

65. Терсков В.А., Жидков В.В. Имитационный генетический алгоритм в задачах оптимизации сложных систем // Непараметрика'97. -Красноярск: CAA, 1997. С. 93-100.

66. Терсков В.А., Жидков В.В. Работа многопроцессорных вычислительных комплексов систем управления в реальном времени и проблемы оценки производительности // Вестник НИИ СУВПТ, вып. 7. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2001. - С. 24-33.

67. Терсков В.А., Лебедев В.А., Жидков В.В. Надежность функционирования управляющих вычислительных систем реального времени // Атомная энергия, том № 91, вып. 1, 2002.