МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ РЕКОНФИГУРАЦИИ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В УПРАВЛЕНИИ
УДК. 519.711.72
А. Н. ПАВЛОВ
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ РЕКОНФИГУРАЦИИ
СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рассматриваются методологические основы решения проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации объектов в рамках теории управления структурной динамикой сложных организационно-технических систем.
Ключевые слова: сложный объект, структурно-функциональная реконфигурация, методологические основы.
Введение. Исследование современных сложных объектов непосредственно связано со структурной динамикой различной природы, вызванной изменением параметров и состояния объектов на различных этапах их жизненного цикла под действием объективных и субъективных факторов [1, 2]. Особую опасность для функционирования сложных объектов представляют природно-экологические и антропогенно-социальные явления или технико-производственные действия, которые приводят к возникновению кризисных ситуаций, аварий и катастроф. В этих условиях обеспечение непрерывности технологических процессов, а также повышение катастрофоустойчивости и устойчивости к отказам соответствующих объектов является одним из важнейших стратегических направлений развития современных социально-экономических и технических комплексов [2—5].
Для успешного функционирования сложных объектов необходимо, чтобы данные системы были управляемы, т.е. способны изменять свою структуру (структуры), состояния, параметры и способы работы в различных условиях. Широкое распространение на практике при решении задач обеспечения отказоустойчивости и катастрофоустойчивости сложных объектов в рамках теории управления структурной динамикой [4] получил такой вариант управления структурами объектов как реконфигурация.
Под реконфигурацией сложного объекта понимается процесс изменения его структуры (структур) в целях сохранения и последующего восстановления (повышения) уровня работоспособности объекта либо в целях обеспечения минимального снижения уровня эффективности системы при деградации ее функций [3, 4].
Основными функциями управления реконфигурацией сложных объектов являются: целеполагание, планирование (стратегическое, долгосрочное, оперативное, календарное и т.п.), регулирование (оперативное управление), контроль и учет, мониторинг и координация. Среди них важнейшей функцией является планирование реконфигурации сложного объекта, исследованию которой и посвящена настоящая статья.
Постановка задачи. Предметная область управления реконфигурацией сложных объектов (далее — объекты) характеризуется рядом существенных особенностей, кардинально
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
8 А. Н. Павлов
отличающих ее от проблематики исследований, рассматриваемой в существующей теории управления сложными системами. К таким особенностям можно отнести, в частности, следующие [1—4]:
— объекты, имеющие повышенную сложность и размерность, обладают свойствами избыточности, многофункциональности, распределенности, унификации, однородности основных функциональных элементов (ФЭ), подсистем и связей;
— объекты характеризуются наличием контуров как отрицательной, так и положительной обратной связи, что приводит к режимам самовозбуждения;
— структурная динамика, нелинейность и непредсказуемость поведения объектов вызвана тем, что чрезвычайные и катастрофические ситуации, как правило, трудно предсказуемы и возникают внезапно (временная неопределенность в обеспечении готовности к управлению);
— правила и технологии функционирования постоянно изменяются; — принятие решений осуществляется в условиях жесткого лимита времени, рисков и различных ограничений в возможностях выбора и реализации управляющих воздействий и т.п. Необходимость учета перечисленных и целого ряда других особенностей процессов управления сложными объектами в чрезвычайных и катастрофических ситуациях требует разработки новых, специальных принципов и методов мониторинга, анализа и прогнозирования ситуаций, разработки вариантов управляющих решений, процедур их выбора и реализации. В рамках стандартной (классической) технологии реконфигурации сложных объектов (в ряде случаев называемой „слепой“ реконфигурацией [4]) при отказах и нарушениях функционирования сложного технического объекта в целях сохранения его наиболее приоритетных функций „жертвуют“ другими функциями или частью работоспособных элементов. Следует отметить, что в ходе „слепой“ реконфигурации, как правило, не реализуются такие операции, как учет и анализ текущего состояния объекта и выполняемых им функций; оперативный расчет, оценивание и анализ целевых и информационных возможностей объекта для обоснованного перераспределения его функций между работоспособными элементами и подсистемами. Таким образом, применительно к современным сложным техническим объектам реконфигурацию следует рассматривать не только как технологию управления их структурами для компенсации отказов, но и как технологию управления, направленную на повышение эффективности функционирования объекта. Далее такую реконфигурацию, в отличие от „слепой“, будем называть „структурно-функциональной реконфигурацией“. Структурно-функциональная реконфигурация сложного объекта, с одной стороны, направлена на изменение топологии системы и характеристик работоспособности ее технической подсистемы для ликвидации последствий различных деструктивных воздействий, а с другой — предполагает гибкое перераспределение выполняемых системой целей, задач и функций между неотказавшими компонентами с учетом допустимости функционирования объекта с ухудшенными в заданных пределах показателями качества. При этом в процессе реконфигурации объект может находиться в одном из состояний S = {Sν , ν = 1, 2, ..., l}. Смена состояний может быть вызвана не только отказами и сбоями отдельных ФЭ, но и аварийными или катастрофическими ситуациями, приводящими к разрушению объекта в целом. Для описания данных ситуаций примем ряд предположений. Предположение 1. Анализ структурной динамики объекта показывает, что, как правило, его структуры не изменяются непрерывно под действием тех или иных причин, а сохраняют постоянство своей топологии на некоторых временных интервалах.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Методологические основы планирования реконфигурации сложных объектов
9
Предположение 2. Особенность постановки задачи планирования структурно-функциональной реконфигурации сложного объекта в первую очередь связана с тем, что совокупность частных показателей F(Sν ) = (F1(Sν ), F2 (Sν ),..., Fh (Sν ),..., FH (Sν )) , h ∈ Hˆ = {1, 2, ..., H}, каче-
ства функционирования объекта в состоянии Sν может быть декомпозирована на две группы
показателей. Первая группа показателей отражает структурно-топологические (статические) характеристики системы (структурную надежность, структурную устойчивость, структурнотопологические свойства и т.д.) — Fh (Sν ), h ∈ Hˆ str ⊆ Hˆ ; вторая группа отражает структур-
но-функциональные (динамические) характеристики (функциональную устойчивость, производительность, расходуемые ресурсы, эффективность и др.) — Fh (Sν ), h ∈ Hˆ fun ⊆ Hˆ , причем Hˆ str ∪ Hˆ fun = Hˆ .
Предположение 3. Создание планов структурно-функциональной реконфигурации объекта ведется при допущении, что катастрофа, в отличие от отказа (события возможного, прогнозируемого, вероятного), — это событие возможное, но не вероятное, либо его вероятность мала и не может быть обоснованно оценена в процессе проектирования. Иными словами, третье предположение, в рамках рассматриваемой задачи, состоит в том, что причины возникновения кризисных, аварийных и катастрофических ситуаций (в отличие от сбоев и отказов), как правило, не подчиняются вероятностно-статистическим закономерностям и имеют многоаспектную и многофакторную природу, для изучения которой необходимо привлечение технологий системного моделирования.
Предположение 4. Функционирование объекта в каждом из состояний Sν определяется
набором отказавших и неотказавших функциональных элементов. Отказавшим (неработоспособным) будем считать ФЭ, который не способен выполнить операции сохранения, приема, передачи, обработки и защиты информационных и/или материальных ресурсов; ФЭ будет считаться частично работоспособным при возможности выполнения им хотя бы одной из перечисленных операций.
Очевидно, что значения частных показателей Fh (Sν ), h = 1, 2, ..., H , качества функцио-
нирования объекта в каждом из состояний Sν зависят от множества отказавших, работоспо-
собных и частично работоспособных ФЭ; распределения операций обработки, сохранения, приема—передачи информационных и/или материальных ресурсов; перераспределения этих операций между работоспособными или частично работоспособными ФЭ.
Направления исследований. Одной из целей управления структурной динамикой сложных объектов является обеспечение в каждый момент времени максимально возможного уровня работоспособности системы и ее элементов. Эта цель достигается с помощью двух дополняющих друг друга процессов: во-первых, целенаправленного воздействия (управления) на процесс деградации объекта таким образом, чтобы исключить или уменьшить возможность (вероятность) переходов объекта в нежелательные состояния, и, во-вторых, управления процессами восстановления работоспособного состояния объекта и компенсации ситуационно появляющихся возмущений [2, 4].
Помимо вышеуказанных особенностей, важным и неотъемлемым условием исследования возможностей объекта является анализ и оценивание его структуры. Одним из возможных подходов к изучению структурных построений сложных объектов является таксономия структур, базирующаяся на таких понятиях, как „однородность—неоднородность“, „равноценность— неравноценность“, „монотонность—немонотонность“. При данном подходе предполагается, что структура объекта однородна, если все включенные в нее функциональные элементы идентичны, и неоднородна, если хотя бы один из ее ФЭ отличается от всех остальных. При оценивании равноценности и неравноценности структурного построения объекта считается, что его
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
10 А. Н. Павлов
структура равноценна, если потеря одного из ФЭ равнозначна потере любого другого, и наоборот, структура объекта неравноценна, если отдельные ФЭ имеют большую ценность по сравнению с другими. Для изучения этого свойства требуется исследовать критичность входящих в состав объекта функциональных элементов. Выявление критичных элементов способствует оптимизации структур других элементов, играющих в обеспечении надежности, безопасности и живучести объекта наиболее важную (ключевую) роль. Критичность отказов ФЭ рассматривается в широком смысле как комплексное свойство, для оценивания которого целесообразно использовать следующие частные показатели качества: вероятность отказа; степень тяжести последствий отказа; устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов; возможность резервирования; возможность контроля состояния элемента; продолжительность существования риска отказа; возможность локализации отказа.
Проведенный анализ показал, что модели функционирования большинства сложных объектов корректно могут быть представлены структурными схемами, деревьями отказов и событий, графами связности, многотерминальными сетями и т.п. Однако такие структурные модели могут описывать функционирование только монотонных систем. В монотонных моделях невозможно учитывать логически сложные и противоречивые связи и отношения между функциональными элементами: например, в одних структурных построениях такие связи увеличивают показатель эффективности функционирования системы, а в других — уменьшают. Также монотонными моделями не могут быть представлены системы, где одновременно функционируют элементы, часть из которых обеспечивает увеличение, например, надежности или безопасности, а другая часть является причиной возникновения отказов или аварий, т.е. оказывает противоположное вредное воздействие на безопасность системы в целом.
На рис. 1 приведены результаты анализа основных аспектов проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов. (На рис. 1, как и на рис. 2, сложный объект обозначен аббревиатурой СО.)
Направление 1 Разработка методологических и методических основ
исследования монотонных—немонотонных, однородных—неоднородных структур с использованием
концепции генома структурного построения
Направление 2 Многокритериальный анализ критичности отказов ФЭ СО
Направление 3 Построение эталонных оптимистических
и пессимистических сценариев структурной реконфигурации СО
Направление 4 Разработка планов структурно-функциональной
реконфигурации СО
Направление 5 Параметрический синтез исходной структуры СО. Аналитико-имитационное моделирование условий реализации планов структурно-функциональной
реконфигурации СО
Предположения 1. Существуют интервалы постоянства структуры СО
2. Кризисные, аварийные и катастрофические ситуации не подчиняются вероятностностатистическим закономерностям 3. Декомпозиция частных показателей на структурно-топологические и структурно-функциональные
Частные проблемы Неизвестно множество промежуточных
состояний, составляющих последовательность измененных
состояний СО Неизвестна последовательность
измененных состояний СО Неизвестна
длительность интервалов постоянства структуры СО
Рис. 1
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Методологические основы планирования реконфигурации сложных объектов
11
Особенности современных СО с перестраиваемой
структурой многоцелевой характер
функционирования
мобильность основных элементов и подсистем избыточность основных элементов и подсистем
и связей между ними монотонные—немонотонные, однородные—неоднородные, равноценные—неравноценные
структуры
структурно-топологические, структурно-функциональные,
количественные и качественные, статистические и экспертные показатели функционирования
наличие унифицированных технических средств наличие стохастических, нечетко-возможностных,
интервальных возмущающих факторов
Научное направление
Структурная динамика сложных объектов
Решаемая проблема
Планирование структурнофункциональной
реконфигурации СО
концепции: системный анализ и моделирование,
современная теория управления сложными динамическими системами с
перестраиваемой структурой
принципы: программно-целевое управление, системное моделирование, внешнее дополнение, необходимое разнообразие,
погружение, агрегирование и декомпозиция
подходы: структурно-математический,
логико-вероятностный, нечетко-возможностный
требования: системный подход к организации процессов управления, корректность, универсальность и проблемная ориентация, гибкость (адаптивность), унификация, простота и доступность
Варианты реконфигурации СО
1) „Слепая“ оперативная реконфигурация функций между однородными ФЭ СО без учета технологических
ограничений
2) „Слепая“ оперативная реконфигурация функций между неоднородными ФЭ СО с учетом технологических
ограничений 3) „Слепая“ оперативная
реконфигурация по варианту 2
с использованием методов многоэтапного стохастического
программирования 4) Структурнофункциональная
реконфигурация СО
Исходные данные состав СО, множество подсистем и вариантов
взаимосвязей ФЭ пространственновременные, технические и технологические ограничения, связанные с функционированием СО
множество способов и методов управления основными элементами,
подсистемами и структурами СО интервал планирования (программного управления), интервалы постоянства структур
Классы задач комплексного моделирования структурно-функциональной
реконфигурации СО
Задачи класса А
Задачи класса Б
Задачи класса С
Исходные данные варианты воздействия внешней среды на СО
цели и задачи, стоящие перед СО на заданном
интервале времени структурно-топологические
и структурнофункциональные показатели
функционирования СО количественные и
качественные показатели критичности отказов ФЭ СО
Рис. 2
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
12 А. Н. Павлов
Резюмируя вышеизложенное и используя результаты проведенного анализа, для решения проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов можно выделить три основные класса задач (см. рис. 2):
задачи класса А — построение эталонных оптимистических и пессимистических сценариев (траекторий) структурной реконфигурации объекта при деструктивных воздействиях на критичные функциональные элементы;
задачи класса Б — построение по указанным эталонным сценариям планов структурнофункциональной реконфигурации объекта, при которых создаются наилучшие условия выполнения целевых задач;
задачи класса С (вспомогательные): — исследование монотонных—немонотонных, однородных—неоднородных, равноценных—неравноценных структур объектов на основе концепции генома структурного построения; — оценивание показателей критичности отказов ФЭ (структурно-топологических, структурно-функциональных); — многокритериальный анализ критичности отказов ФЭ; — построение классов эквивалентных сценариев структурной реконфигурации объектов, выделение эталонных сценариев; — параметрический синтез начального структурного построения объекта; — аналитико-имитационное моделирование условий реализации планов структурнофункциональной реконфигурации объекта. На рис. 2 также представлены в обобщенном виде методологические основы решения исследуемой проблемы. Заключение. Анализ современных наиболее перспективных вариантов „слепой“ реконфигурации сложных объектов показал, что процесс формирования их промежуточных состояний с единой общесистемной точки зрения практически не рассматривался. Существующие постановки задачи „слепой“ реконфигурации характеризуются большой размерностью и не учитывают существенные операции. В целях учета особенностей управления сложными объектами сформулированы и обоснованы общие и частные требования, предъявляемые к разработке новых принципов, моделей, методов и методик многокритериального оценивания, анализа и выбора структурно-функциональной реконфигурации объектов. Анализ данных требований позволил сформулировать основные направления агрегативно-декомпозиционного подхода к решению проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов.
Статья подготовлена по результатам исследований, проводимых при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 10-07-00311, 11-0801016, 11-08-00767, 12-06-00276, 12-07-00302), Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проект № 2.11), а также программы ESTLATRUS: проекты 1.2/ELRI121/2011/13, 2.1/ELRI-184/2011/14.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беленков В. Г., Будзко В. И., Синицын И. Н. Катастрофоустойчивость корпоративных информационных систем. М.: ИПИ РАН, 2002. Ч. 1.
2. Белов П. Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. пособие. М.: Изд. центр „Академия“, 2003.
3. Додонов А. Г., Кузнецова М. Г., Горбачик Е. С. Введение в теорию живучести вычислительных систем. Киев: Наукова думка, 1990.
4. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Динамическая интерпретация процессов управления сложными объектами
13
5. Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Концептуальные основы оценивания и анализа качества моделей и
полимодельных комплексов // Изв. РАН. Сер. Теория и системы управления. 2004. № 6. С. 5—16.
Александр Николаевич Павлов
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; СПИИРАН; лаборатория информационных
технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: pavlov62@list.ru
Рекомендована СПИИРАН
Поступила в редакцию 10.06.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
УДК. 519.711.72
А. Н. ПАВЛОВ
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПЛАНИРОВАНИЯ СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ РЕКОНФИГУРАЦИИ
СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
Рассматриваются методологические основы решения проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации объектов в рамках теории управления структурной динамикой сложных организационно-технических систем.
Ключевые слова: сложный объект, структурно-функциональная реконфигурация, методологические основы.
Введение. Исследование современных сложных объектов непосредственно связано со структурной динамикой различной природы, вызванной изменением параметров и состояния объектов на различных этапах их жизненного цикла под действием объективных и субъективных факторов [1, 2]. Особую опасность для функционирования сложных объектов представляют природно-экологические и антропогенно-социальные явления или технико-производственные действия, которые приводят к возникновению кризисных ситуаций, аварий и катастроф. В этих условиях обеспечение непрерывности технологических процессов, а также повышение катастрофоустойчивости и устойчивости к отказам соответствующих объектов является одним из важнейших стратегических направлений развития современных социально-экономических и технических комплексов [2—5].
Для успешного функционирования сложных объектов необходимо, чтобы данные системы были управляемы, т.е. способны изменять свою структуру (структуры), состояния, параметры и способы работы в различных условиях. Широкое распространение на практике при решении задач обеспечения отказоустойчивости и катастрофоустойчивости сложных объектов в рамках теории управления структурной динамикой [4] получил такой вариант управления структурами объектов как реконфигурация.
Под реконфигурацией сложного объекта понимается процесс изменения его структуры (структур) в целях сохранения и последующего восстановления (повышения) уровня работоспособности объекта либо в целях обеспечения минимального снижения уровня эффективности системы при деградации ее функций [3, 4].
Основными функциями управления реконфигурацией сложных объектов являются: целеполагание, планирование (стратегическое, долгосрочное, оперативное, календарное и т.п.), регулирование (оперативное управление), контроль и учет, мониторинг и координация. Среди них важнейшей функцией является планирование реконфигурации сложного объекта, исследованию которой и посвящена настоящая статья.
Постановка задачи. Предметная область управления реконфигурацией сложных объектов (далее — объекты) характеризуется рядом существенных особенностей, кардинально
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
8 А. Н. Павлов
отличающих ее от проблематики исследований, рассматриваемой в существующей теории управления сложными системами. К таким особенностям можно отнести, в частности, следующие [1—4]:
— объекты, имеющие повышенную сложность и размерность, обладают свойствами избыточности, многофункциональности, распределенности, унификации, однородности основных функциональных элементов (ФЭ), подсистем и связей;
— объекты характеризуются наличием контуров как отрицательной, так и положительной обратной связи, что приводит к режимам самовозбуждения;
— структурная динамика, нелинейность и непредсказуемость поведения объектов вызвана тем, что чрезвычайные и катастрофические ситуации, как правило, трудно предсказуемы и возникают внезапно (временная неопределенность в обеспечении готовности к управлению);
— правила и технологии функционирования постоянно изменяются; — принятие решений осуществляется в условиях жесткого лимита времени, рисков и различных ограничений в возможностях выбора и реализации управляющих воздействий и т.п. Необходимость учета перечисленных и целого ряда других особенностей процессов управления сложными объектами в чрезвычайных и катастрофических ситуациях требует разработки новых, специальных принципов и методов мониторинга, анализа и прогнозирования ситуаций, разработки вариантов управляющих решений, процедур их выбора и реализации. В рамках стандартной (классической) технологии реконфигурации сложных объектов (в ряде случаев называемой „слепой“ реконфигурацией [4]) при отказах и нарушениях функционирования сложного технического объекта в целях сохранения его наиболее приоритетных функций „жертвуют“ другими функциями или частью работоспособных элементов. Следует отметить, что в ходе „слепой“ реконфигурации, как правило, не реализуются такие операции, как учет и анализ текущего состояния объекта и выполняемых им функций; оперативный расчет, оценивание и анализ целевых и информационных возможностей объекта для обоснованного перераспределения его функций между работоспособными элементами и подсистемами. Таким образом, применительно к современным сложным техническим объектам реконфигурацию следует рассматривать не только как технологию управления их структурами для компенсации отказов, но и как технологию управления, направленную на повышение эффективности функционирования объекта. Далее такую реконфигурацию, в отличие от „слепой“, будем называть „структурно-функциональной реконфигурацией“. Структурно-функциональная реконфигурация сложного объекта, с одной стороны, направлена на изменение топологии системы и характеристик работоспособности ее технической подсистемы для ликвидации последствий различных деструктивных воздействий, а с другой — предполагает гибкое перераспределение выполняемых системой целей, задач и функций между неотказавшими компонентами с учетом допустимости функционирования объекта с ухудшенными в заданных пределах показателями качества. При этом в процессе реконфигурации объект может находиться в одном из состояний S = {Sν , ν = 1, 2, ..., l}. Смена состояний может быть вызвана не только отказами и сбоями отдельных ФЭ, но и аварийными или катастрофическими ситуациями, приводящими к разрушению объекта в целом. Для описания данных ситуаций примем ряд предположений. Предположение 1. Анализ структурной динамики объекта показывает, что, как правило, его структуры не изменяются непрерывно под действием тех или иных причин, а сохраняют постоянство своей топологии на некоторых временных интервалах.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Методологические основы планирования реконфигурации сложных объектов
9
Предположение 2. Особенность постановки задачи планирования структурно-функциональной реконфигурации сложного объекта в первую очередь связана с тем, что совокупность частных показателей F(Sν ) = (F1(Sν ), F2 (Sν ),..., Fh (Sν ),..., FH (Sν )) , h ∈ Hˆ = {1, 2, ..., H}, каче-
ства функционирования объекта в состоянии Sν может быть декомпозирована на две группы
показателей. Первая группа показателей отражает структурно-топологические (статические) характеристики системы (структурную надежность, структурную устойчивость, структурнотопологические свойства и т.д.) — Fh (Sν ), h ∈ Hˆ str ⊆ Hˆ ; вторая группа отражает структур-
но-функциональные (динамические) характеристики (функциональную устойчивость, производительность, расходуемые ресурсы, эффективность и др.) — Fh (Sν ), h ∈ Hˆ fun ⊆ Hˆ , причем Hˆ str ∪ Hˆ fun = Hˆ .
Предположение 3. Создание планов структурно-функциональной реконфигурации объекта ведется при допущении, что катастрофа, в отличие от отказа (события возможного, прогнозируемого, вероятного), — это событие возможное, но не вероятное, либо его вероятность мала и не может быть обоснованно оценена в процессе проектирования. Иными словами, третье предположение, в рамках рассматриваемой задачи, состоит в том, что причины возникновения кризисных, аварийных и катастрофических ситуаций (в отличие от сбоев и отказов), как правило, не подчиняются вероятностно-статистическим закономерностям и имеют многоаспектную и многофакторную природу, для изучения которой необходимо привлечение технологий системного моделирования.
Предположение 4. Функционирование объекта в каждом из состояний Sν определяется
набором отказавших и неотказавших функциональных элементов. Отказавшим (неработоспособным) будем считать ФЭ, который не способен выполнить операции сохранения, приема, передачи, обработки и защиты информационных и/или материальных ресурсов; ФЭ будет считаться частично работоспособным при возможности выполнения им хотя бы одной из перечисленных операций.
Очевидно, что значения частных показателей Fh (Sν ), h = 1, 2, ..., H , качества функцио-
нирования объекта в каждом из состояний Sν зависят от множества отказавших, работоспо-
собных и частично работоспособных ФЭ; распределения операций обработки, сохранения, приема—передачи информационных и/или материальных ресурсов; перераспределения этих операций между работоспособными или частично работоспособными ФЭ.
Направления исследований. Одной из целей управления структурной динамикой сложных объектов является обеспечение в каждый момент времени максимально возможного уровня работоспособности системы и ее элементов. Эта цель достигается с помощью двух дополняющих друг друга процессов: во-первых, целенаправленного воздействия (управления) на процесс деградации объекта таким образом, чтобы исключить или уменьшить возможность (вероятность) переходов объекта в нежелательные состояния, и, во-вторых, управления процессами восстановления работоспособного состояния объекта и компенсации ситуационно появляющихся возмущений [2, 4].
Помимо вышеуказанных особенностей, важным и неотъемлемым условием исследования возможностей объекта является анализ и оценивание его структуры. Одним из возможных подходов к изучению структурных построений сложных объектов является таксономия структур, базирующаяся на таких понятиях, как „однородность—неоднородность“, „равноценность— неравноценность“, „монотонность—немонотонность“. При данном подходе предполагается, что структура объекта однородна, если все включенные в нее функциональные элементы идентичны, и неоднородна, если хотя бы один из ее ФЭ отличается от всех остальных. При оценивании равноценности и неравноценности структурного построения объекта считается, что его
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
10 А. Н. Павлов
структура равноценна, если потеря одного из ФЭ равнозначна потере любого другого, и наоборот, структура объекта неравноценна, если отдельные ФЭ имеют большую ценность по сравнению с другими. Для изучения этого свойства требуется исследовать критичность входящих в состав объекта функциональных элементов. Выявление критичных элементов способствует оптимизации структур других элементов, играющих в обеспечении надежности, безопасности и живучести объекта наиболее важную (ключевую) роль. Критичность отказов ФЭ рассматривается в широком смысле как комплексное свойство, для оценивания которого целесообразно использовать следующие частные показатели качества: вероятность отказа; степень тяжести последствий отказа; устойчивость элемента к воздействию внешних неблагоприятных факторов; возможность резервирования; возможность контроля состояния элемента; продолжительность существования риска отказа; возможность локализации отказа.
Проведенный анализ показал, что модели функционирования большинства сложных объектов корректно могут быть представлены структурными схемами, деревьями отказов и событий, графами связности, многотерминальными сетями и т.п. Однако такие структурные модели могут описывать функционирование только монотонных систем. В монотонных моделях невозможно учитывать логически сложные и противоречивые связи и отношения между функциональными элементами: например, в одних структурных построениях такие связи увеличивают показатель эффективности функционирования системы, а в других — уменьшают. Также монотонными моделями не могут быть представлены системы, где одновременно функционируют элементы, часть из которых обеспечивает увеличение, например, надежности или безопасности, а другая часть является причиной возникновения отказов или аварий, т.е. оказывает противоположное вредное воздействие на безопасность системы в целом.
На рис. 1 приведены результаты анализа основных аспектов проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов. (На рис. 1, как и на рис. 2, сложный объект обозначен аббревиатурой СО.)
Направление 1 Разработка методологических и методических основ
исследования монотонных—немонотонных, однородных—неоднородных структур с использованием
концепции генома структурного построения
Направление 2 Многокритериальный анализ критичности отказов ФЭ СО
Направление 3 Построение эталонных оптимистических
и пессимистических сценариев структурной реконфигурации СО
Направление 4 Разработка планов структурно-функциональной
реконфигурации СО
Направление 5 Параметрический синтез исходной структуры СО. Аналитико-имитационное моделирование условий реализации планов структурно-функциональной
реконфигурации СО
Предположения 1. Существуют интервалы постоянства структуры СО
2. Кризисные, аварийные и катастрофические ситуации не подчиняются вероятностностатистическим закономерностям 3. Декомпозиция частных показателей на структурно-топологические и структурно-функциональные
Частные проблемы Неизвестно множество промежуточных
состояний, составляющих последовательность измененных
состояний СО Неизвестна последовательность
измененных состояний СО Неизвестна
длительность интервалов постоянства структуры СО
Рис. 1
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Методологические основы планирования реконфигурации сложных объектов
11
Особенности современных СО с перестраиваемой
структурой многоцелевой характер
функционирования
мобильность основных элементов и подсистем избыточность основных элементов и подсистем
и связей между ними монотонные—немонотонные, однородные—неоднородные, равноценные—неравноценные
структуры
структурно-топологические, структурно-функциональные,
количественные и качественные, статистические и экспертные показатели функционирования
наличие унифицированных технических средств наличие стохастических, нечетко-возможностных,
интервальных возмущающих факторов
Научное направление
Структурная динамика сложных объектов
Решаемая проблема
Планирование структурнофункциональной
реконфигурации СО
концепции: системный анализ и моделирование,
современная теория управления сложными динамическими системами с
перестраиваемой структурой
принципы: программно-целевое управление, системное моделирование, внешнее дополнение, необходимое разнообразие,
погружение, агрегирование и декомпозиция
подходы: структурно-математический,
логико-вероятностный, нечетко-возможностный
требования: системный подход к организации процессов управления, корректность, универсальность и проблемная ориентация, гибкость (адаптивность), унификация, простота и доступность
Варианты реконфигурации СО
1) „Слепая“ оперативная реконфигурация функций между однородными ФЭ СО без учета технологических
ограничений
2) „Слепая“ оперативная реконфигурация функций между неоднородными ФЭ СО с учетом технологических
ограничений 3) „Слепая“ оперативная
реконфигурация по варианту 2
с использованием методов многоэтапного стохастического
программирования 4) Структурнофункциональная
реконфигурация СО
Исходные данные состав СО, множество подсистем и вариантов
взаимосвязей ФЭ пространственновременные, технические и технологические ограничения, связанные с функционированием СО
множество способов и методов управления основными элементами,
подсистемами и структурами СО интервал планирования (программного управления), интервалы постоянства структур
Классы задач комплексного моделирования структурно-функциональной
реконфигурации СО
Задачи класса А
Задачи класса Б
Задачи класса С
Исходные данные варианты воздействия внешней среды на СО
цели и задачи, стоящие перед СО на заданном
интервале времени структурно-топологические
и структурнофункциональные показатели
функционирования СО количественные и
качественные показатели критичности отказов ФЭ СО
Рис. 2
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
12 А. Н. Павлов
Резюмируя вышеизложенное и используя результаты проведенного анализа, для решения проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов можно выделить три основные класса задач (см. рис. 2):
задачи класса А — построение эталонных оптимистических и пессимистических сценариев (траекторий) структурной реконфигурации объекта при деструктивных воздействиях на критичные функциональные элементы;
задачи класса Б — построение по указанным эталонным сценариям планов структурнофункциональной реконфигурации объекта, при которых создаются наилучшие условия выполнения целевых задач;
задачи класса С (вспомогательные): — исследование монотонных—немонотонных, однородных—неоднородных, равноценных—неравноценных структур объектов на основе концепции генома структурного построения; — оценивание показателей критичности отказов ФЭ (структурно-топологических, структурно-функциональных); — многокритериальный анализ критичности отказов ФЭ; — построение классов эквивалентных сценариев структурной реконфигурации объектов, выделение эталонных сценариев; — параметрический синтез начального структурного построения объекта; — аналитико-имитационное моделирование условий реализации планов структурнофункциональной реконфигурации объекта. На рис. 2 также представлены в обобщенном виде методологические основы решения исследуемой проблемы. Заключение. Анализ современных наиболее перспективных вариантов „слепой“ реконфигурации сложных объектов показал, что процесс формирования их промежуточных состояний с единой общесистемной точки зрения практически не рассматривался. Существующие постановки задачи „слепой“ реконфигурации характеризуются большой размерностью и не учитывают существенные операции. В целях учета особенностей управления сложными объектами сформулированы и обоснованы общие и частные требования, предъявляемые к разработке новых принципов, моделей, методов и методик многокритериального оценивания, анализа и выбора структурно-функциональной реконфигурации объектов. Анализ данных требований позволил сформулировать основные направления агрегативно-декомпозиционного подхода к решению проблемы планирования структурно-функциональной реконфигурации сложных объектов.
Статья подготовлена по результатам исследований, проводимых при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты 10-07-00311, 11-0801016, 11-08-00767, 12-06-00276, 12-07-00302), Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проект № 2.11), а также программы ESTLATRUS: проекты 1.2/ELRI121/2011/13, 2.1/ELRI-184/2011/14.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Беленков В. Г., Будзко В. И., Синицын И. Н. Катастрофоустойчивость корпоративных информационных систем. М.: ИПИ РАН, 2002. Ч. 1.
2. Белов П. Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере: Учеб. пособие. М.: Изд. центр „Академия“, 2003.
3. Додонов А. Г., Кузнецова М. Г., Горбачик Е. С. Введение в теорию живучести вычислительных систем. Киев: Наукова думка, 1990.
4. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11
Динамическая интерпретация процессов управления сложными объектами
13
5. Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Концептуальные основы оценивания и анализа качества моделей и
полимодельных комплексов // Изв. РАН. Сер. Теория и системы управления. 2004. № 6. С. 5—16.
Александр Николаевич Павлов
Сведения об авторе — канд. техн. наук, доцент; СПИИРАН; лаборатория информационных
технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: pavlov62@list.ru
Рекомендована СПИИРАН
Поступила в редакцию 10.06.12 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 11