АНАЛИЗ ЗАДАЧ СИТУАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СЛОЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Куандыков А.А.

канд.техн.наук, доцент каф. «Программное обеспечение систем и сетей» Казахского национального технического университета имени К.И.Сатпаева, Алматы, Казахстан

1. Актуальность исследования

Потребность решения задач автоматизации процессов управления различных сложными объектами (СО) породили в жизнь множество концепций, подходов, принципов и методов, моделей и языков, алгоритмов и математическое обеспечение систем управления, которые разработаны вне рамок классической теории управления и интуитивно эмпирическим путем. Несмотря на малоизученность и исследованность особенностей и характеристик, эффективности и перспектив этих подходов они до сих пор находят свои применения и тем более становятся более популярными. Тому пример, появление и широкое распространение различных нежестких средств: нечеткие, генетические или эволюционные, лингвистические и другие методы и алгоритмы принятия решений. Среди таких методов широкое применение получили методы ситуационного управления, точнее не управления, а принятия решений в процессе управления [1-2]. Следует отметить, что все еще отсутствуют научные и системные исследования теоретических основ ситуационного управления, с другой стороны эти методы применяются при решении практических задач, хотя, как показывает практика, они являются более адекватными для решения многих задач практики. Таким образом, эти методы в настоящее время, в основном получили экстенсивно-эмпирическое развитие, а не теоретико-интенсивное. Причин этому множество, но главное отсутствие онтологической базы и в том числе в первую очередь отсутствие ясности в миссиях их применения, а также сути и характеристики решаемых задач, для которых они будут применены.

Правильное установление миссии и точная постановка задачи ситуационного управления СО позволит внести ясность и определить политику и стратегию исследования в области автоматизации процессов управления сложными объектами и в конце концов систематизировать полученные результаты по проблемам управления СО, а также создать условия для построения теоретической базы для решения различных задач управления СО.

Однако из-за большого разнообразия СО (между собой) не представляется возможной универсальная постановка и формулировка задачи ситуационного управления идентичная для всех СО. Если даже добиться обобщенной общей формулировки задачи управления для всех видов СО, она не способствует построению эффективных моделей и методов управления СО и соответственно на их основе разработать математическое обеспечение системы ситуационного управления.

В связи с этим, в работе приведены строгая формулировка задачи ситуационного управления для определенного класса СО, особенности функционирования которых установлены в [3-5].

2. Задачи ситуационного управления сложными объектами

Формулировка задачи управления зависит от стратегии управления СО. Поэтому в качестве стратегии управления СО установим следующую:

Если функционирование ОУ соответствует требованиям и показателям P = (P1, P2, .., Pi, …, Pn) планового режима функционирования, задаваемой надсистемой или самой СУ, исходя из миссии и цели эксплуатации ОУ. Тогда функционирование ОУ должно протекать в свободном режиме и управление объектом запрещается.

Целью данной стратегии является увеличение времени свободного режима функционирования ОУ и уменьшение продолжительности времени вынужденного режима функционирования под управлением СУ в интервале времени функционирования объекта равное Т.

Предполагается, что всякое текущее состояние ОУ на момент времени t " соответствует плановому состоянию функционирования если , где - текущее состояние или ситуация ОУ, - целевое состояние или ситуация ОУ, которое задает пространство планового нормального режима функционирования ОУ на текущий момент времени t. Функционирование ОУ в соответствует выполнению требования на качество функционирования и управления объектом P = (P1, P2, .., Pi, …, Pn).

Управление состоянием и функционированием ОУ необходимо тогда, когда на объекте возникает проблемная ситуация, т.е. ситуация, отклоненная от планового нормального, и тем более оптимального состояния функционирования, и поэтому необходимо устранить проблемность, т.е. нормализовать состояние объекта путем управления текущим состоянием ОУ. Ситуацию, проблемность которой может быть устранена путем управления, назовем «ситуация-управление».

Таким образом, наличие ситуация-управление на ОУ соответствует началу возникновения задачи управления, решение которой достигается путем управления объектом, т.е. она решается в ходе процесса управления объектом. Последний состоит из ряда этапов. Отрезок процесса управления (ПУ) с момента обнаружения ситуации-управления (t^S), соответствующий началу ПУ до момента нормализации состояния объекта (t^F), который соответствует устранению проблемности в функционировании ОУ (и поэтому завершению ПУ) назовем циклом управления (ЦУ) или жизненным циклом процесса управления, отрезок времени Dt = (t^F – t^S) – продолжительность ЦУ.

ПУ является многоэтапным, поэтому общая задача управления также состоит из ряда этапов или фаз.

Общая задача управления СО состоит из следующих задач (подзадач).

1. Задача контроля состояния и функционирования ОУ:

· обнаружения наличия проблемной ситуации на ОУ;

· прогнозирования проблемной ситуации на ОУ.

2. Задача планирования процесса управления объектом:

· определение режима функционирования, который представляется в виде целевой ситуации;

· выбор траектории перехода достижения выбранной целевой ситуации;

· принятия управляющих решений, обеспечивающих перевод ОУ из текущего состояния в выбранное целевое состояние;

3. Задача управления ОУ:

· перевод ОУ из текущего состояния в выбранное состояние путем выполнения принятого плана управления объектом;

· протоколирование результатов управления объектом.

Задача контроля формулируется таким образом.

Пусть в момент времени t_n текущей целевой ситуацией на объекте является S или S(t_-n), соответствующая текущему работоспособному (и эффективному) состоянию функционирования объекта, где SÎ, - счетное множество всевозможных целевых ситуаций, соответствующие нормальным режимам функционирования. И пусть на объекте в данном моменте времени возникло состояние или ситуация . Тогда для пары ситуаций <, S> объекта необходимо установить наличие или отсутствие нарушения с минимальными затратами, с помощью следующего алгоритма (или модели):

if r() £ D¢, then , else if r() > D¢, then,

где S или S(t_-n) – текущая целевая ситуация, соответствующая работоспособному (и эффективному) состоянию функционирования объекта; t_-n – означает до момента времени t_n наступления состояния объекта ; - счетное множество всевозможных целевых ситуаций, соответствующие нормальным режимам функционирования объекта; для S и выполняется SÎ.

Процедура принятия решений [r(.), D¢] строится исходя из требования целевой функции или критериев решения задачи: W₀(q₁, q₂, q₃, …, q_i, …, q_n) ® opt, где q₁, q₂, q₃, …, q_i, …, q_n – показатели задачи, такие как: затраты времени, время процессора, объект памяти, которые необходимы для решения задачи, а также надежность результатов решения задачи, готовность к решению задачи нового цикла управления и т.д. Целевая функция задается априорно на этапе построения алгоритма. Между W₀(q₁, q₂, q₃, …, q_i, …, q_n) и P = (P1, P2, .., Pi, …, Pn) могут быть соответствия.

Причинами возникновения ситуации , для которой имеет место условие:

, (1)

является множество, которые могут быть случайными факторами или отказами элементов ОУ, а могут быть не случайны, а изменение требования или задания надсистемы, изменение ресурсов управления. В случае выполнения условия (1) необходимо управлять состоянием или функционированием объекта с целью устранения проблемности в его функционировании и нормализации режима его работы.

Задача контроля состояния и функционирования объекта, соответствует задаче первого этапа ЦУ ситуационного управления – этапу обнаружения наличия проблемной ситуации, требующей управления. Данный этап является общим для всех вариантов выполнения ПУ объектом.

Наличие ситуации-управления вызывает задачу планирования процесса управления объектом, которую требуется определить и сформулировать, для того, чтобы спланировать дальнейшие действия по управлению состоянием и функционированием ОУ.

В классической теории управления всевозможные варианты задачи управления, точнее задачи планирования процесса управления сводятся и формулируются в виде одной из трех канонических задач: Майера, Лагранжа, Больца [6]. Выбор вида канонической задачи зависит от поставленной надзадачи или миссии управления, а также возникшей ситуации на ОУ. Миссия управления данным объектом, в априори задается ЛПР, а надзадача является задачей верхнего уровня - надсистемой, т.е. производственной системой.

Отметим, что из-за сложности СО в понятиях ситуаций формулировка этих задач для СО будет отличатся от классического варианта.

Для того, чтобы типизировать структуру задачи планирования процесса управления СО и упростить процесс анализа вариантов ее реализации, структуру процесса решения данной задачи представим из фаз, состоящих из подзадач или ограничений. Решение подзадач приводит к определению компонентов планируемого процесса управления, который необходимо выполнить. Компонентами ПУ являются:

· целевая ситуация, которую необходимо установить на ОУ при его текущем состоянии;

· траектории достижения выбранной целевой ситуации;

· план управляющих действий, позволяющего перевод ОУ в целевую ситуацию по выбранной траектории.

Итак, приведем на языке ситуаций формулировки конических задач планирования процесса ситуационного управления СО.

Задача Майера для оперативного ситуационного управления: Суть задачи управления объектом сводится к выбору конечного состояния, т.е. ситуаций функционирования объекта управления.

Пусть в момент времени t_n на объекте возникла ситуация-управление S(t) для которой выполняется условие (1).

Тогда полную ситуацию-управление в задаче Майера можно представить таким образом:

С-У1: <S(t), S>.

Отсюда, исходя из миссии управления возникает задача, которая соответствует первой фазе:

Фаза 1. Определение целевой ситуации. Для С-У1.1: <S(t), S> требуется выбрать такую целевую ситуацию – рабочее состояние (работоспособное состояние) ОУ , которая: 1) достижима, 2) удовлетворяет требованиям критерия среди , т.е.

. (2)

Фаза 2. Определение траектории достижения целевой ситуации. В задаче Майера, задача выбора траектории достижения целевой ситуации для задачи планирования процесса управления заменяется ограничением, заданным в априори в одном из следующих видов:

1) функциональные ограничения на перевод ОУ из состояния S(t) в состояния S в пространстве функционирования отсутствуют, требуется соблюдение только технических;

2) перевод ОУ из состояния S(t) в состояния S требуется вести по траектории TP_h Î TP, которая может задаваться в априори.

Это ограничение заменяет задачи второй фазы общей задачи планирования процесса управления объектом, которая отсутствует в классической задаче Майера.

Фаза 3. Определение плана управляющих действий. Для ситуации-управление 1.3: <S(t), S, S> или <S(t), S, , TP_i> следует принять такое управляющее решение (сценарии-решения восстановления состояния ОУ после отказа) , обеспечивающее:

· перевод состояния ОУ из в (если есть ограничение TP_i , то соблюдая его) и

· удовлетворяющее требованиям критерия среди , т.е.

(3)

Данная задача не входит в состав классической задачи Майера.

Задача Лагранжа для оперативного ситуационного управления: Суть задачи управления объектом сводится к выбору траектории перевода объекта из состояния в конечное состояние или ситуации функционирования объекта управления.

Пусть в момент времени t_n на объекте возникла ситуация-управление S(t) и при текущей целевой ситуации S = S(t_-n) (или S(t_-n) = S) выполняются условия (1).

Тогда ситуацию-управление можно представить таким образом:

С-У2: <S(t), S(t_-n)>.

Фаза 1. Определение целевой ситуации. В задаче Лагранжа задача выбора целевой ситуации задачи планирования процесса управления заменяется ограничением заданным в априори в одном из следующих видов.

Целевая ситуация – работоспособное состояние функционирования объекта для момента времени t_+n задается в априори S(t_+n) = S, , которое является заданным ограничением к процессу решения задачи планирования процесса управления.

Тогда, полное ситуация-управление в задаче Лагранжа представима таким образом:

С-У2: <S(t), S(t_-n), S(t_+n)>.

Для которого могут выполнятся условия, что

1) S(t_-n) = S = S(t_+n) = S;

2) S(t_-n) ¹ S(t_+n) = S.

Отсюда, исходя из миссии управления возникает задача, которой соответствует вторая фаза.

Фаза 2. Определение траектории достижения целевой ситуацию.

1. Для ситуации-управления 2.2: <S(t), S, S> требуется принять такую траекторию TP_h Î TP перевода объекта из состояния S(t), в состояния S которая максимально удовлетворяет требованиям критерия W₂₂, т.е.

(4)

2. Ограничением к процессу решения задачи может быть точность достижения конечного состояния объекта S, т.е.

r(S, S)®min

Фаза 3. Определение плана управляющих действий. Для ситуации-управление 2.3: <S(t), S, S, TP_h> следует принять такое управляющее решение (сценарии-решения восстановления состояния ОУ после отказа) , обеспечивающее:

· перевод состояния ОУ из в по траектории TP_h и

· удовлетворяющее требованиям критерия среди , т.е.

(5)

Данная задача не входит в состав классической задачи Лагранжа.

Задача Больца для оперативного ситуационного управления: Суть задачи управления объектом сводится

· во-первых, к выбору конечного состояния или ситуации функционирования объекта управления;

· во-вторых, к выбору траектории перевода объекта из состояния в конечное состояние или ситуации функционирования объекта управления.

Пусть в момент времени t_n на объекте возникла ситуация-управление S(t) = S(t_n) и при этом заданная целевая ситуация – текущее рабочее состояние объекта S = S(t_-n).

Тогда, полную ситуацию-управление можно представить таким образом:

С-У 3: <S(t), S(t_-n)>.

Отсюда, исходя из миссии управления возникает задача, которая соответствует второй фазе:

Фаза 1. Определение целевой ситуации. Для ситуации-управления 3.1: <S(t), S(t_-n)> требуется выбрать такую целевую ситуацию – рабочее состояние (работоспособное состояние) ОУ , которая: 1) достижима; 2) удовлетворяет требованиям критерия среди S(t_+n) = S, , т.е.

. (6)

Фаза 2. Определение траектории достижения целевой ситуации. Для ситуации-управление 3.2: <S(t), S(t_+n)> необходимо принять такую траекторию TP_h Î TP перевода объекта из состояния S(t) в состояние S, которая максимально удовлетворяет требованиям критерия W₃₂ W₂₁среди ", т.е.

. (7)

Фаза 3. Определение плана управляющих действий. Для ситуации-управление 3.3: <S(t), S(t_-n), S(t_+n), TP_i> следует принять такое управляющее решение (сценарии-решения восстановления состояния ОУ после отказа) , обеспечивающее:

1) перевод состояния ОУ из в по выбранной траектории TP_h и

2) удовлетворяющее требованиям критерия среди , т.е.

. (8)

Данная задача не входит в состав классической задачи Больца.

Отметим, что хотя задача Больца является общей, в ходе управления сложным объектом при определенных ситуациях возникает необходимость в решении одной из задач управления: Майера, Лагранжа.

Результатами решения задачи планирования процесса управления является готовый к выполнению план процесса управления, который задается выбранной целевой ситуацией функционирования ОУ, траектории перехода к ней, плана управляющих действий.

Таким образом, в результате решения задачи управления наступила определенность, как надо вести управление объектом, но самого процесса управления объектом еще не было. Данное состояние назовем «ситуация-план-управление».

Поэтому следующим этапом процесса управления является выполнение или реализация плана процесса управления путем воздействия на состояния и функционирование объекта в соответствии с выработанным планом управления и достижения выполнение параметров плана процесса управления.

Следующей задачей, т.е. задачей этапа выполнения плана процесса управления является задача реализации выбранного управляющего решения с целью перевода ОУ из текущего состояния в выбранное состояние путем выполнения принятого плана управления объектом, т.е. исходя из текущего состояния и выбранного целевого состояния объекта, выбранной траектории перевода объекта и выбранного плана решения управления.

При текущем состоянии следует перевести ОУ в целевое состояние по установленной траектории так, чтобы было минимальное отклонение. Здесь всевозможные требования на выполнение процесса управления сводятся к следующим видам:

1) минимальность геометрических отклонений в пространстве от заданной траектории;

2) минимальность затрат времени на достижение выбранного состояния;

3) минимальность затрат энергии на выполнение управляющих воздействий:

4) минимальность количества управляющих действий или управляющих воздействий на ОУ.

Выполнение процесса перевода ОУ из S(t) в S_j^ц осуществляется путем реализации команд принятого плана управляющего решения/действий - U_k в управляющие воздействия на органы управления или рабочие органы объекта.

Каждое решение U_k = (R, {di}) состоит из множества команд {di} и их выполнение может осуществляться различными системами и различным образом. В частности их выполнение может осуществляться:

· автономной системой (или агентом), которая является внешней относительно системы ситуационного управления - системой автоматического управления. Средствами низовой автоматики;

· самой системой ситуационного управления- специальной подсистемой (или агентом) реализации решения;

· человеком, причем выполняющим различные миссии и функции: оператор, мастер и технолог производства, топ-менеджер или линейный менеджер.

При этом управляющие действия управляющих решений, обеспечивающие установления S^ц на ОУ выполняются либо автономно отдельной системой, либо во взаимосвязи между собой или, в случае необходимости, с сочетанием ручного управления специалистами.

Совместное выполнение возможно: 1) на уровне плана управления или управляющего решения в целом; 2) на уровне отдельных решений или группы команд, входящих в их состав.

Особенностями решения задачи данного этапа ЦУ является протоколирование результатов управления объектом. Этот протокол необходим для усовершенствования процесса управления СО.

Таким образом, декомпозиция полной задачи управления, в том числе задачи планирования процесса управления на подзадачи породила множество подзадач. Порядок их решения следует координировать в процессе управления объектом. Поэтому возникает дополнительная задача – задача координации процессов решения задач/подзадач общей задачи.

Формулировки задач планирования процесса управления и координации процессов решения задач процесса управления в данной работе не будут приведены.

3. Анализ особенностей задачи ситуационного управления СО

Сложность объекта управления вносит свои особенности, которые задачу управления (ситуационного управления) отличают ее от варианта постановки в классической теории управления. Проанализируем сущность задач ситуационного управления СО.

Целевая функция или критерии решения задач (2-4) и соответственно критерии процессов управления, т.е. в перечень критериев управления W должны входить или отражать критерии качества процесса управления СО. В связи с тем, что процесс управления СО имеет несколько уровней качества, то критерии также имеют структурное образование.

Этими уровнями могут быть следующие:

· функционально-технические – быстродействие;

· операционные –полнота решения задачи;

· поддержка процесса управления СО как бизнес-процесса как функционально, так и на уровне качества. Полнота списка решаемых задач или охват всего масштаба пространства бизнес-процесса, куда входят такие группы критериев как технологические, производственные, экономические, экологические критерии, а также критерии поддержки бизнес-процесса и сервис-обслуживания клиентов;

· сервисные – оказание сервисных услуг партнерам, клиентам, потребителям, владельцам, персоналу менеджеров, администраторам, обслуживания, поддержки - сопровождающие.

Отсюда от иерархической структуры качества вытекает иерархическая структура критериев.

Объем включаемых критериев зависит от постановки ЛПР и от способности ресурсов процесса управления СО.

Эти критерии могут быть распределены по задачам или могут иметь единый состав у всех задач управления.

Требования к решению задач оказывают влияние на структуру и содержание компонентов задач.

Возможно, что все задачи совместимы, т.е. все компоненты/элементы, в том числе критерии задач могут совпадать. Но, данное условие выполняется не для всех объектов выбранного класса СО и совместимость задач по компонентному составу не всегда выполнима, не всегда выполнимы и по критериям, хотя в большинстве случаев совпадения по критериальному составу более вероятны.

В целом, сформулированные задачи состоят из совокупности представления компонентов/элементов, входящих в их состав.

Элементами в полной задаче являются представления:

· текущего состояния ОУ,

· критерии решения задачи,

· целевого состояния ОУ,

· траектории движения ОУ в сторону целевого состояния,

· плана управляющего действия.

Рассмотрим совместимость и преемственность этих элементов в различных задачах общей задачи, как в объектно-ориентированной технологии.

1. По представлению текущего состояния ОУ. Варианты описания текущего состояния (варианты описания одного и того текущего состояния S(t)):

"i,j [(S^ij(t) º S^hk(t))Ú(S^ij(t) º S^hk(t))],

где i, h=1,3 - задачи; j, k – фазы решения задач j¹h; j¹k; j,k = 1,3.

2. Теперь рассмотрим варианты задания состава критериев в этих задачах.

Во всех задачах критериальная полнота достигается совокупностью введенных в задачу критериев/целевой функции и ограничении. Таким образом, состав критериев задач можно представить в виде

= È È , i=1,3

где - является либо набором критериев, либо ограничением.

Возможные варианты критериев задач:

"i,j [( º )Ú( ¹ )],

где i, h=1,3 - задачи; j, k – фазы решения задач j¹h; j¹k; j,k = 1,3.

Анализ остальных компонентов задач в данной работе не будет рассмотрен.

Заключение

В приведенных постановках задач ситуационного управления не учитываются некоторые особенности машинной реализации, хотя вычислительная сложность имеет огромную сложность и огромную процедурную обработку информации, требующую огромных ресурсов. Не удачная реализация математического обеспечения и машинной реализации не обеспечивает требуемой эффективности управления. Эти аспекты сложности задачи управления должны быть учтены при разработке математического и программно-аппаратного обеспечения системной реализации системы ситуационного управления, в частности для преодоления этой вычислительной трудности необходимы ресурсы супервычислительных компьютеров или систем. Эти вопросы будут рассмотрены в последующих работах автора.

Литература

1. Клыков Ю.И. Семиотические основы ситуационного управления. М.: МИФИ, 1974. - 220 С.

2. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986. - 288 С.

3. Ускенбаева Р.К., Отелбаев М.О., Куандыков А.А. Стратегия решения полнофункциональной задачи управления сложными объектами. Доклады НАН РК, 2004, №2. – С. 26-33.

4. Ускенбаева Р.К. Принципы оперативного управления. Научный журнал МОН РК «Поиск», № 1 (2)/2004. – С. 17-24.

5. Куандыков А.А. Новые концепции управления сложными объектами. Материалы VI Казахстанско-Российской международной научно-практической конференции «Математическое моделирование научно-технических и экологических проблем в нефтегазодобывающей промышленности», Астана, 2007. – С. 182-185.

6. Вадутов О.С. Оптимальные системы. Учебное пособие. Томск. Изд. ТПИ. 1983. – 95 С.