автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Оценка устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ методами математического моделирования

ЦЕНТР ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И СИСТЕМ ОРГАНОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВЛАСТИ

На правах рукописи

СЕЛИВАНОВ Сергей Александрович

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ УПРАВЛЕНИЯ В ПРОЕКТИРУЕМЫХ СИСТЕМАХ КЛАССА АСОУ МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизированные системы управления

по техническим наукам

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

А.А. Федулов

Москва -1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр

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

Глава 1. Проблема оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ....................................................................................................................................................................................................12

1.1. Анализ методов оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ......................................................................................................................................................................................................12

1.2. Специфика систем класса АСОУ................................................ 15

1.3. Выбор и обоснование показателей устойчивости управления...................................................................................................................

1.4. Постановка задачи исследования............................................................................................22

Глава 2. Разработка математических моделей для оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ............................................

2.1. Аналитическая модель функционирования АСОУ....................

2.2. Имитационная модель функционирования АСОУ....................

2.3. Оценка статистических характеристик потоков сообщений в

АСОУ...............................................................................................................

Глава 3. Использование математических моделей при оценке устойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ...............................................................................................................

3.1. Организация и планирование вычислительных экспериментов...................................................................................................................

3.2. Оценка точности и устойчивости результатов моделирования...................................................................................................................

3.3. Моделирование процессов функционирования и оценка ус-

30 30 44

58

68

68

тойчивости управления в проектируемых системах класса АСОУ............................................................................................................... 81

3.3.1. Моделирование процессов функционирования и оценка устойчивости управления в автоматизированной информационно-управляющей системе Российской системы предупреждения и действий в чрезвычайных ситуациях (АИУС РСЧС)............................................. 81

3.3.2. Моделирование процессов функционирования и оценка устойчивости управления в информационно-коммуникационной системе федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений (ИКС ФССН)................................................................................................................................................91

3.3.3. Моделирование процессов функционирования и оценка устойчивости управления в информационной системе Министерства

иностранных дел Российской Федерации (ИС МИД).................................. ЮЗ

Заключение................................................................................................... 116

Список используемых источников..........................................................

Приложение.................................................................................................. 129

ВВЕДЕНИЕ

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

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

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

можно выделить несколько характерных циклов, длительность которых интересует пользователей в первую очередь. Обычно на длительность каждого из таких циклов накладываются индивидуальные или общие ограничения.

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

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

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

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

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

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

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

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

Оценка устойчивости управления в подобного класса системах должна осуществляться практически на всех этапах, начиная с этапа формирования тре-

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

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

Решение задачи сводится к:

• исследованию основных принципов построения систем класса АСОУ;

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

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

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

Структура диссертационной работы соответствует последовательности решения поставленных задач.

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

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

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

трясений и в информационной системе Министерства иностранных дел Российской Федерации.

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

Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов определяется следующими положениями:

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

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

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

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

Практическая ценность результатов диссертационной работы состоит в следующем:

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

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

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

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

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

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

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

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

ГЛАВА 1.ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ УПРАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ КЛАССА АСОУ

1.1. Анализ методов оценки устойчивости управления в системах класса АСОУ

Для систем класса АСОУ, которые функционируют в условиях информационной перегруженности или при воздействии факторов деструктивного характера, принципиально важным является такое их качество, как сохранение дееспособности в самых неблагоприятных условиях.

В математической кибернетике научной базой направления исследований, связанных со свойством сохранения определяемых качеств поведения систем, является теория устойчивости. В настоящее время на базе классических понятий и методов в теории устойчивости происходит переход от аналитических к алгоритмическим приемам исследований, что связано с усложнением объектов исследования. Устойчивость - термин, не имеющий математически строгого определения; он имеет чисто собирательное содержание. Его уточняют, как правило, за счет доопределения и конкретизации, а также, за счет сужения области его приложения. Приведем в качестве примеров определения основных типов устойчивости движения систем. При этом движение понимается не только в узком, механическом смысле, айв более широком, поведенческом, т.е. как смена состояний системы. Основным объектом рассмотр�