автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оптимизация автоматизированных систем управления обучающими структурами методами имитационного моделирования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

Пастущак Татьяна Николаевна

ОПТИМИЗАЦИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ОБУЧАЮЩИМИ СТРУКТУРАМИ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность: 05Л3.06. Автоматизированные системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

И

Научный руководитель д.т.н., проф. Ю.М. Кулибанов

О

Санкт-Петербург - 1998

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ............................................... 4

1. Системный подход - современный аппарат исследования организационных систем

1.1. Анализ организации и развития систем .......................9

1.2. Основные характеристики многоуровневых иерархических систем.....................................................31

1.3. Управление - как метод повышения эффективности организациями..............................................43

2. Вычислительные сети - основа построения АСУ организациями

2.1 Общие принципы построения вычислительных сетей............62

2.2. Анализ функционирования и развития вычислительных

сетей......................................................75

2.3. Методы принятия решений в АСУ организациями..............87

2.4. Особенности автоматизации управления вузом.................96

3. Исследование характеристик системы информационного обеспечения АСУ организациями

3.1. Локальная вычислительная сеть как система массового обслуживания ...................................................110

3.2. Исследование характеристик одноканальных ЛВС.............117

3.3. Исследование характеристик многоканальных ЛВС............123

3.4. Приближенные оценки характеристик ЛВС...................128

4. Исследование ЛВС с приоритетным обслуживанием

4.1. Понятия о приоритетном обслуживании......................133

4.2. Исследование очередей процесса обслуживания на периоде занятости..................................................139

4.3. Эффективность ДВС с приоритетами........................147

5. Имитационное моделирование ЛВС (вычислительный эксперимент)

5.1. Основы построения математических моделей процессов управления.................................................150

5.2. Общие принципы имитационного моделирования ЛВС.........154

5.3. Имитационное моделирование ЛВС в Excel 7 for Window'9......158

5.4. Анализ результатов имитационного моделирования............172

6. Результаты разработки АСУ СПГУВК

6.1. Анализ структур АСУ ВУЗ................................194

6.2. Информационное обеспечение АСУ ВУЗ.....................202

6.3. Построение АСУ СПГУВК................................210

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................222

ЛИТЕРАТУРА.............................................224

ВВЕДЕНИЕ

Деятельность любой организационной системы определяется эффективностью управления. Переход от интуитивных методов к автоматизированной системе управления (АСУ) позволяет преобладающую часть управленческих работ осуществлять с помощью математических методов, средств вычислительной техники и связи. АСУ позволяет значительно повысить качество, оперативность и объективность принимаемых решений.

Методология управления, обеспечивающая оптимальную работу организации, включает в себя теоретические, системные, математико-алгоритмические и прикладные вопросы.

При разработке АСУ крупных многокритериальных организаций на первый план выходят проблемы получения математических моделей, процедур, алгоритмов, выбора и разработки технических устройств, которые решают задачи автоматизации деятельности таких организаций, повышают эффективность их функционирования, конкурентоспособность на рынке.

Таким образом, специальное изучение проблем функционирования АСУ является вполне актуальным и заслуживает отдельного рассмотрения.

В диссертации проанализированы исследования по разработке и созданию систем автоматизированного управления организациями.

Установлено, в частности, что при достаточно большом количестве научных исследований по АСУ ряд проблем организационно-методического характера требует более углубленной разработки. В первую очередь сказанное относится к АСУ высшими учебными заведениями

Исследование проводили на основе системных подходов, так как они позволяют с большей объективностью учесть влияние внешней среды, взаимозависимость критериальных оценок, иерархию управляющих воздействий, структуру процедуры принятия решений, конструктивные особенности используемой

аппаратуры и вычислительной техники, субъективный фактор людей, участвующих в процессе управления (операторов, наладчиков, программистов, руководителей подразделений),

Исследования организационных систем наиболее эффективны при использовании машинного эксперимента, так как натурный эксперимент над всей системой затруднителен по технологическим и экономическим соображениям.

Исследования отдельных частей этой системы не позволяют дать целостного представления из-за несводимости свойств этих частей к свойствам их совокупности (свойства эмергентности больших систем).

Организационная система всегда взаимодействует с внешней средой. Она потребляет информацию и является ее источником, подвергается действию возмущений, которые препятствуют ее нормальному функционированию.

Рассматривая в целом взаимодействие организационной системы со средой, следует придерживаться принципа относительности. В соответствии с ним выделенная для анализа подсистема может рассматриваться как самостоятельная (организационная система) и как часть другой системы, в которую она входит.

Этот принцип позволяет создавать теоретические модели автономного функционирования организационной системы, как объекта управления с учетом ее взаимодействия с внешними системами (средой) и с конкретными конструкциями материальных (вещественных, энергетических, информационных) связей.

Системный подход позволяет проанализировать влияние на работу АСУ комплекса факторов внешнего и внутреннего характера, их взаимодействие, це-леобусловленность, иерархию, координацию.

Методики исследования основаны на кибернетическом подходе к изучению сложных (больших) систем, какой является АСУ организацией. Это прежде всего, пассивный и активный эксперименты, математическое моделирование, методы управления с обратной связью.

В основу создания математических моделей положены физические принципы и там, где выявить их трудно по тем или иным причинам используются концепции и гипотезы, основанные на интуитивных понятиях и естественном интеллекте.

Адекватность моделей доказывается на основе данных эксперимента.

Цель диссертационного исследования состоит в разработке автоматизированной системы управления многоуровневой иерархической обучающей структуры на базе локальной вычислительной сети методами имитационного моделирования.

В соответствии с поставленной целью в работе сформулированы, обоснованы и решаются следующие задачи:

1. Исследование формальных закономерностей, лежащих в основе функционирования многокритериальных, многоуровневых, организационных обучающих систем.

2. Разработка математических моделей и определение основных характеристик локальных вычислительных сетей (ЛВС) автоматизированных систем управления вузами (АСУ ВУЗ) с различными дисциплинами приоритета обслуживания.

3. Проведение вычислительного эксперимента с целью оптимизации функционирования ЛВС, как систем массового обслуживания и получения рациональных характеристик АСУ ВУЗ.

4. Разработка методических основ имитационного моделирования для определения наиболее эффективных условий функционирования ЛВС для процесса управления в вузе.

Методологической основой и общетеоретической базой исследования являются принципы системного подхода к анализу и оптимизации управления организационными системами. Используются методы математического программирования, имитационного моделирования, статистического анализа, теории

случайных процессов и систем массового обслуживания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Определены математические аспекты получения наилучшей структуры ЛВС АСУ ВУЗом путем имитационного моделирования.

2. Предложены основы вычислительного эксперимента и статистического анализа экспериментальных результатов при функционировании системы управления в условиях вуза.

3. Получены качественные и количественные характеристики ЛВС как систем массового обслуживания с различными дисциплинами приоритета очереди.

Практическая значимость исследований состоит в том, что при непосред-

KS /

ственном участии автора данной диссертации (в качестве главного конструктора) были проведены исследования, спроектирована и внедрена АСУ университетом, объединяющая следующие подсистемы: «Кадры», «Студент», «Учеба», «Учет платных образовательных услуг», «Пенсионный фонд», «Каталог учебно-методической литературы». Эксплуатация АСУ СПГУВК в течение более 5 лет показала достаточную надежность и эффективность ее работы.

На защиту выносятся:

1. Результаты разработки автоматизированной системы управления вузом.

2. Методика проведения имитационного моделирования локальных вычислительных сетей вузов.

3. Методика обработки экспериментальных результатов моделирования локальных вычислительных сетей вузов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

- Всероссийской научно-технической конференции «Транском-94» (IIIS октября 1994), г. Санкт-Петербург;

- Всероссийской научно-методической конференции «Высшее образование в современных условиях». 1996г., г. Санкт-Петербург; Основные положения диссертации изложены в 7 публикациях. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы включающего 133 наименования. Основная часть работы изложена на 199 страницах. Работа содержит 32 рисунка и 11 таблиц.

1.СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД - СОВРЕМЕННЫЙ АППАРАТ ИССЛЕДОВАНИЯ ОРГАНИЗАЦИОННЫХ СИСТЕМ

1.1. Анализ организации и развития систем

Важной задачей системного подхода является уточнение смысла и построение определений всей совокупности специфически системных понятий и прежде всего понятия «система».

Понятие системы принадлежит к числу наиболее широко используемых в науке. Оно встречается практически во всех основных областях знания и является весьма общим.

Практически каждый исследователь систем предлагает свое понимание понятия «система». Ряд авторов предлагает количественные характеристики типа «Система - это множество объектов вместе с отношениями между объектами и между их атрибутами» (А. Холл и Р. Фейджин); «Любая целенаправленная целостность является системой» (С.С. Сенгуттта и Р.Л. Акоф); «Система есть комплекс элементов находящихся во взаимодействии (Л.Берталанфи). Формальные определения этого понятия на теоретико-множественном языке можно встретить в исследованиях М. Месаровича, О. Ланге, Д. Эллиса, Ф. Людвига и др.

Система рассматривается как нечто цельное и единое. Она искусственно исследователем выделяется из окружающей среды. Система может быть расчленена на подсистемы.

Различные состояния системы и подсистем в пространстве и времени могут быть выражены определенными переменными (высказываниями, числами, логическими символами).

Система множественна, поэтому что поведение или состояние подсистемы отличается от поведения или состояния системы в целом, а совокупность свойств ее подсистем не характеризует некоторое новое свойство.

Система делится на конечное число частей, называемых элементами. Элементы характеризуются некоторым числом или высказыванием. Элементы качественно определяются отношениями друг к другу. Каждый из элементов выражается одной или несколькими переменными: вектором, скаляром, матрицей, распределением вероятности, математической или логической функцией. Постоянные переменные называются параметрами системы.

Частичное упорядочение элементов и отношения между ними, построение некоторой иерархии отношений в системе позволяет осуществить построение структуры. Она описывает пространственное расположение элементов и область пространственной локализации системы, характер и устойчивость между элементами. По характеру отношений между элементами структуры делятся на многосвязные, иерархические и смешанные. Структуры, в которых отношения либо неизменны, либо изменяются по определенному закону относятся к детерминированным. В вероятностных структурах отношения между элементами описываются вероятностными законами, в хаотических структурах элементы вступают в отношения непредсказуемым образом. Смешанные структуры отличаются тем, что пределы и направления образования нестабильностей определены и ограничены заложенным в структуру детерминизмом. На свойства структуры влияют действия внутренних сил, свойства элементов и связей.

Способ объединения элементов в подсистемы определяет композиционные свойства систем. Различают подсистемы: эффекторные (способные преобразовывать воздействие и воздействовать на другие подсистемы и системы), ре-цепторные (способные преобразовывать внешнее воздействие в информационные сигналы, передавать и переносить информацию), рефлексивные (способные воспроизводить внутри себя процессы на информационном уровне, генерировать информацию) и неопределенные (свойства которых не могут быть определены). Композицию систем, включающих подсистемы с эффекторными, рецеп-

торными и рефлексивными подсистемами называют полной. Композиция систем, не содержащих подсистем с выраженными свойствами, называется слабой.

Таким образом, можно выделить следующие свойства понятия «система».

1) Система - нечто цельное и единое, представляет собой целостный комплекс взаимосвязанных элементов;

2) она образует единство со средой;

3) любая система, как правило, представляет собой элемент системы более высокого порядка;

4) элементы системы в свою очередь обычно выступают как системы более низкого порядка.

С понятием система связан целый круг общенаучных и философских понятий. Это прежде всего такие понятия как «подсистема», «структура», «организация», «свойство», «отношения», «связь» и др. Эти понятия нельзя определить обособленно, независимо друг от друга. Система обусловливается на основе указанных понятий в свою очередь способствует уточнению смысла этих понятий. Для характеристики систем разных типов служат такие понятия как «цель», «степень взаимодействия», «интеграция и дифференциация» и др.

Следующий блок понятийных средств системного подхода образуют понятия, характеризующие функционирование системных объектов: «стабильность», «равновесие», «обратная связь», «гомеостаз», «управления» и др.

Представления о развитии систем дают такие понятия как «рост» (простой и структурный), «изменение», «адаптация», «обучения».

Важными понятиями системного подхода, характеризующими процесс исследования систем. К понятиям^ характеризующим процесс исследования систем относят «анализ системы», «синтез системы» и т.п.

Перечисленные выше понятия системного подхода в своей совокупности представляют общую понятийную базу системного исследования. Тем не

менее системный подход представляет собой не только определенный набор системных понятий, но и в значительной степени он определяет совокупность принципов теоретического описания особенностей современного научного мировоззрения.

Если связать термин «система» с тремя последовательными стадиями научного исследования, то вероятно можно будет выделить следующие взаимно дополняющие друг друга трактовки:

1) системы рассматриваются как научный инструмент исследования, как способ рассмотрения взаимосвязанных явлений и процессов. Системный подход представляет собой общую методологию постановки и осуществления исследования. Он позволяет найти наиболее общие закономерности любых систем, методы их классификации и способы изучения.

2) система рассматривается в качестве объективно существующего (или планируемого) взаимосвязанного комплекса процессов и явлений, которые должны быть познаны и изучены. В этом случае, системный подход - четко определенная методология изучения специфических явлений, Он находит свое отражение в определенной методологии системного анализа, приспособленного для различных типов систем.

3) Система рассматривается как взаимосвязанный комплекс методов и средств, специально разработанных и внедренных для достижения определенных целей.

/

Как некая теория системный подход нуждается в разработки методов, способов его построения и развития.

Перспективными представляются попытки построения теоретических моделей отдельных типов систем. Модели многоуровневых многоцелевых систем (М. Месарович), методы и принципы исследования, основанные на подходе к объекту, как «черному ящику» (У. Росс Эшби), анализ теоретико-

информационного описания живых систем (А. Рапопорт), модель открытой системы и телеологич�