Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования информационной системы

Исследования по рассматриваемой тематике проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 08-08-00346а) и ОИТВС РАН (проект № 2.5), а также Санкт-Петербургского научного центра РАН.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кириллов Н. П. Построение моделей процессов функционирования технических систем по их исходным описаниям // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 11. С. 12—16.

2. Эшби У. Р. Введение в кибернетику. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. 455 с.

3. ШрейдерЮ. А. Равенство. Сходство. Порядок. М.: Наука, 1971. 256 с.

Сведения об авторе

Николай Петрович Кириллов — СПИИРАН, лаборатория информационных технологий в системном

анализе и моделировании; E-mail: knp@mail.ru

Поступила в редакцию 06.05.08 г.

УДК 519.8

А. В. Иконникова, И. А. Петрова, С. А., Потрясаев, Б. В. Соколов

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОМПЛЕКСНОГО ПЛАНИРОВАНИЯ МОДЕРНИЗАЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Предложена оригинальная динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования катастрофоустойчивой информационной системы, позволяющей формально описать основные аспекты и особенности рассматриваемых взаимодействующих процессов.

Ключевые слова: катастрофоустойчивая информационная система, комплексное планирование, модернизация и функционирование сложных объектов.

Введение. Одной из наиболее перспективных организационных форм современных производственно-транспортных сетей являются виртуальные предприятия (ВП), представляющие собой организации, формируемые из географически распределенных независимых многопрофильных партнеров (реальных предприятий), объединенных на время выполнения совместного заказа в единую организационно-техническую структуру на основе информационно-телекоммуникационных технологий [1—4].

основное предназначение ВП состоит во временном совместном динамическом использовании различными физическими и юридическими лицами части своих ресурсов в целях получения каждым из них прибыли в ходе решения общей производственной задачи. Важнейшей подсистемой любого ВП является его интегрированная информационная система (ИС), образованная на основе оперативного конфигурирования (структурно-функционального синтеза) ИС, обеспечивающих функционирование как отдельного реального предприятия, входящего во временную кооперацию, так и их взаимодействие в процессе производственной деятельности. Необходимо отметить, что для интегрированной ИС (как и для ВП) характерна структурная динамика, вызванная различными причинами [4, 5].

На рисунке в графическом виде представлены возможные варианты сценариев структурной динамики применительно к современным ИС. Особую опасность для современных ИС представляют причины, которые приводят к возникновению кризисных ситуаций, аварий

Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования ИС 63

и катастроф, имеющих природно-экологический, технико-производственный или антропогенно-социальный характер. При этом спектр угроз экономической, физической и информационной безопасности, а также перечень уязвимостей аппаратно-программной и информационной инфраструктур ИС постоянно расширяется [4].

Состав и структура интегрированной информационной системы виртуального предприятия

Кроме того, в реальной жизни возможны ситуации, когда указанные угрозы являются комбинированными и приводят к лавинообразному возникновению и развитию негативных событий, вызывающих в конечном итоге катастрофические последствия. В этих условиях обеспечение непрерывности бизнес-процессов (БП) и повышение катастрофоустойчивости соответствующих производственных систем (бизнес-систем — БС), входящих в состав ВП, является одним из важнейших стратегических направлений развития современной экономики. При этом под катастрофоустойчивостью ИС следует понимать способность компьютерного комплекса, состоящего из нескольких систем, сохранять критически важные данные и обеспечивать выполнение своих основных функций после массового (возможно, целенаправленного) уничтожения его компонентов в результате различных катаклизмов как природного характера, так и инспирированных человеком [4, 5].

Перечисленные особенности катастрофоустойчивых информационных систем (КУИС) приводят к необходимости с принципиально новых позиций подходить к решению проблем управления развитием указанных систем, для которых переход от „старого" (существующего) варианта ИС к „новому" (модернизированному либо восстанавливаемому) варианту КУИС не может быть проведен мгновенно. На практике это приводит к тому, что на достаточно длительном интервале времени (периоде модернизации КУИС либо восстановления ее работоспособности) осуществляется совместная эксплуатация элементов и подсистем „старой" и „новой" КУИС. Однако в этих условиях показатели качества и эффективности бизнес-процессов, поддерживаемых данными КУИС, не должны ухудшаться. Таким образом, всякое изменение и развитие той или иной подсистемы (структуры) КУИС объективно осуществляется одновременно с решением оперативных (текущих) задач, стоящих перед соответствующей БС. Поэтому возникает необходимость совместной постановки задач комплексного планирования модернизации и функционирования КУИС. Базируясь на результатах предыдущих

64 А. В. Иконникова, И. А. Петрова, С. А. Потрясаев, Б. В. Соколов

исследований, приведем упрощенный вариант комплексной динамической модели программного управления модернизацией и функционированием КУИС [4, 5]. При этом процессы модернизации КУИС будем трактовать широко, интерпретируя их также (в зависимости от складывающейся обстановки) и как процессы восстановления работоспособности КУИС после аварии или нештатной ситуации.

Представленные в настоящей статье математические модели базируются на результатах, полученных в ранее опубликованных работах по рассматриваемой тематике [5, 6].

Для того чтобы формально описать рассматриваемые модели введем, прежде всего, следующие множества: А(о'у) = {А^,0'у); V = 1,...,пу} — множество БП, выполняемых в узле В у ВП;

А(л у) = { А^ у); у_ 1,...,Пу} — множество технологий обработки информационных потоков, реализуемых в узле Ву, для обеспечения выполнения соответствующих БП; В _ {Ву; у _ 1,...,т] — множество подсистем (узлов) ВП; В^3) = ); X = 1,. .,^у] — множество операций, входящих в технологию у), предназначенную для обработки информации, необходимой для реализации бизнес-процесса A,(0J); В^) = {вг^); г _ 1,...,Яу] — множество

информационных ресурсов, модернизируемых в узле Ву ВП; В(ру) = {в5р1); 5 = 1,..., А у ] — множество материальных ресурсов, выделяемых для модернизации информационных ресурсов; О?'у) = {Ор'у); к _ 1,...,л(г)] — множество операций, входящих в технологический цикл управления (ТЦУ) модернизацией информационного ресурса ВГлу) в узле Ву ВП.

Описание динамической модели. Рассмотрим математическую модель программного управления функционированием КУИС в узле Ву ВП.

Математическая модель процесса представляется выражениями

<-у> _ а

X _ у ,

С ~ 51иУХГ ; Л "¿1 а ^ , С ^

Ограничения на управляющие воздействия определяются следующим образом:

0 < и ^)(t) <

п] БV

е (1 - ) + е у(Р,2) ухг V уг ^у%ГуГ

Глг);

5 5 ^)) < ^у)

у_1 X _1

п ' S

5 55 и %)

Я1

, г

г _1

Ку

Г . - . V Л V V 0 - ГУ

*\>уг \ > — > Лз " — 'vvxг

К .

У^лу)

5 „ууу \а V

г _1

5 < г)

г _1

Краевые условия описываются выражениями

х^)

Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования ИС 65 а показатели качества процесса управления — соотношениями

4л *) = X1 X ]

г=1 ц=г+1 Л *)

1 'о

о Г00

п* Sv К] 1/

) = X X X / а§>\т)м<%!')

,=1 х=1 г=1 /)

/о

=2X ^^

2 ,=1 х=1 ^ " г=Г '

В соотношениях (1)—(10) переменные интерпретируются следующим образом: х^х]) — переменная, характеризующая состояние выполнения операции —Х* (т.е. текущий

объем обработанной информации при выполнении операции Д,Х*) ); «Х* — заданный объем информации, который обрабатывается при выполнении операции —х']), входящей в состав технологии обработки информационных потоков для обеспечения выполнения БП А,05''^; хГл']) — переменная, текущее значение которой численно равно общей продолжительности задействования ресурса вГл']) информационной системы, входящей в состав узла В* ВП; — интенсивность обработки на ресурсе Вр'* информации, необходимой для выполнения операции —Х'*), входящей в состав БП Ар,]); м^Х* — управляющее воздействие, принимающее значение 1, если ресурс В/Л'* ) ИС в узле В* выделяется для выполнения

операции в противоположном случае м^Р^) = 0; в/-*), Ур), Ф/* ) — заданные вели-

чины, характеризующие соответственно максимально возможную интенсивность выполнения операции —Х'*) на ресурсе ВГЛ'*), максимально возможный объем доступной оперативной

памяти ИС в узле В* и максимально возможную производительность ресурса В/до его

модернизации; ёр\ Ур\ ф/*) — величины, имеющие аналогичную интерпретацию, но соответствующие ситуации, когда модернизация (либо восстановление работоспособности) проведена; уЛ/'2^) — вспомогательное управляющее воздействие, принимающее значение 1

в момент времени Г, если осуществлен переход от „старых" (е/*, Ур \ ф/*)) к „новым" (ёр'\ Ур\ Ф*) информационным ресурсам в узле В*; У^ — объем оперативной памяти, которая выделяется для выполнения операции —Х'*) обработки информации; а^/Чт) — заданная функция, определяющая качество выполнения соответствующих операций; со —

^ V

вспомогательное управляющее воздействие, принимающее значение 1, если реализована полностью технология обработки информации для осуществления БП A,(,o']), 0 — в противном случае.

Ограничения (2)—(4) определяют возможности по переработке информации на ресурсе В/^. Ограничения (5) определяют очередность выполнения операций Д,Х*), —ОН), связанных с обработкой информации и необходимых для выполнения соответствующих

операций —Л'*), —ОХ-!), входящих в состав БП А,01 и А,0* Ограничения (6) означают, что в текущий момент времени операция Д,Х'1') может выполняться только на одном информационном ресурсе ВГЛ'*), г = 1,...,Я*. Соотношения (7) задают краевые условия (ограничения на значения переменных х,^*^, x(л'l) в начальный и конечный моменты времени г0*) и Г /)). Показатель (8) предназначен для оценивания степени равномерности использования ре-

сурсов вГл'*), В/ЛJ), г, /1 = 1,...,Я*. Показатель (9) позволяет оценить суммарное качество выполнения всей совокупности операций —Х'*) при фиксированной программе их выполнения м^/Чт) . Показатели (10) вводятся в том случае, если необходимо оценить точность выполнения краевых условий (7) либо минимизировать потери, вызванные невыполнением операции В^1.

Рассмотрим математическую модель программного управления модернизацией элементов КУИС в узле В*] ВП.

Математическая модель процесса представляется выражениями

&4рД) £

= X Кшу/ък1,

&х

= у

г

& 5=1 &

Ограничения на управляющие воздействия определяются как

я,

X ) * с]ч У5, Ук;

г=1

X V(гРк1}(Г) * 1, У5, Ук, к = 1,...

5=1

£

,

л

(г);

X ./РД) (а(р,1) - х(рд) ) = 0

X vг5k \аг(к-1) хг(к-1)^ = 0

5=1

а

(а^ - х(рД) ) = 0-

I гл* гл* )

ачг'*' - | = 0;

0 * V ГРк1)(г) * 1; 0 * ¿р2^) * 1.

Краевые условия задаются выражениями

х/Р1

Я1

а показатели качества процесса управления — соотношением

, ,, £ Я, л 1

4( = XXX

5=1 г=1 к =1

(Г (1) V

Г

л

[ ((^(т) + А,23)р(гР^])(т))т

+^3)- (а

,

*гк

гк

В соотношениях (11)—(18) переменные интерпретируются следующим образом: хГ(Г) — переменная, характеризующая текущее состояние выполнения операции в/р5'^, связанной с модернизацией информационного ресурса ВГЛ']) в узле В* ; а(рД)(Г) — заданный

Динамическая модель комплексного планирования модернизации и функционирования ИС 67 объем выполнения операции D(p'3), входящей в состав технологического цикла управления О^3) модернизацией информационного ресурса В^'^ в узле В 3; а(-р'1-) — заданный объем

J глу

выполнения последней операции входящей в ТЦУ модернизацией информационного

гл у

ресурса В^1'3) в узле В у; v(gj'1)(t) — управляющее воздействие, принимающее значение 1, если на выполнение операции D(p'3), связанной с модернизацией информационного ресурса В^3), в данный момент выделен ресурс в5Р'3); в противоположном случае Ур2-*^) _ 0; v(p'2)(t) — вспомогательное управляющее воздействие, принимающее значение 1, если процесс модернизации информационного ресурса В^'3) завершился; в противоположном случае

у^2^) _ 0; х^2^) — переменная, характеризующая текущее состояние выполнения вспомогательной операции: ее значение численно равняется величине временного интервала, прошедшего с момента окончания модернизации информационного ресурса В^3) до момента окончания интервала планирования; — интенсивность выполнения операции D(p'3), связанной с модернизацией ресурса В^3).

Ограничения (12) определяют возможность одновременного выполнения с5Р 1 операций вида О^р'1), входящих в состав ТЦУ 3) модернизацией информационного ресурса В^3). Ограничения (13) задают требование о том, что операция О^р3), входящая в состав ТЦУ О^'3) модернизацией информационного ресурса В^'3), сама может выполняться только с использованием одного из ресурсов в5Р'3), выделенных на модернизацию. Ограничения (14) определяют очередность выполнения операций D(p'3) и 1), связанных с модернизацией информа-

ционного ресурса В^1'3). Ограничения (15) определяют условия окончания процесса модернизации информационного ресурса В^'3) в узле В у ВП. Ограничения (16) задают область изменения возможных значений управляющих воздействий Ур1-^) и У^2-*^). Соотношения (17) задают ограничения на значения переменных x(p'1)(t) и хг^2"^) в моменты времени ^3) и ^р

(моменты начала и окончания интервала планирования модернизации информационной системы в узле В у ВП).

Показатель качества процесса управления модернизацией вида (18) позволяет одновременно оценить как суммарные стоимостные затраты на проведение модернизации и текущую эксплуатацию КУИС в узле В у, так и суммарный штраф за нарушение директивных сроков

выполнения операций, входящих в ТЦУ D(p'з) модернизацией информационных ресурсов

В^. В соотношении (18) весовые коэффициенты ^(3), ^,3), считаются известными величинами. Указанные величины можно подсчитать с использованием первого компонента показателя (18). Терминальный (второй) компонент показателя (18) вводится для оценивания точности выполнения краевых условий (17) либо минимизации потерь, связанных с невыполнением

операций D(|)J), входящих в ТЦУ DГP'з) модернизацией информационного ресурса Вгл'3).

Заключение. Анализ программной реализации предложенного варианта формального описания процессов модернизации и функционирования КУИС показывает, что представленные динамические модели обладают следующими основными достоинствами:

— позволяют широко использовать в ходе планирования фундаментальные научные результаты, полученные к настоящему времени в современной теории управления сложными динамическими системами с перестраиваемой структурой;

— позволяют существенно сократить размерность задач планирования, решаемых в каждый момент времени;

— предоставляют возможность конструктивно проводить согласование и взаимную интерпретацию результатов, полученных на аналитических и имитационных моделях планирования как на концептуальном, так и на алгоритмическом, информационном, программном уровнях описания;

— позволяют обоснованно подходить к выбору временных интервалов работы элементов и подсистем КУИС;

— существенно сокращают затраты оперативной памяти ЭВМ, повышают оперативность решения задач планирования при использовании перспективных гибридных вычислительных систем, позволяющих проводить декомпозицию и распараллеливание вычислительного процесса.

Представленная детерминированная динамическая модель планирования может быть дополнена ранее разработанной комбинированной моделью управления структурной динамикой информационной системы [6]. В этом случае появляется возможность не только планировать процессы модернизации (восстановления) и функционирования интегрированной ИС ВП в каждом отдельном узле, но и осуществлять программное управление соответствующей телекоммуникационной системой с учетом ее структурной динамики.

К настоящему времени разработано несколько версий прототипа программного обеспечения решения задач рассматриваемого класса применительно к различным предметным областям (космонавтика, энергетика, менеджмент), которые подтвердили работоспособность и эффективность предложенного модельно-алгоритмического обеспечения.

Исследования, выполненные по данной тематике, проводились при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (гранты № 07-07-00169, 06-07-89242, 08-08-00403), Отделения нанотехнологий и информационных технологий РАН (проект № 0-2.5/03).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Virtual Enterprises and Collaborative Networks // Ed. L. Camarihna-Matos. Berlin: Kluwer Academic Publishers, 2004.

2. Wang L., Norrie D. H. Process planning and control in a holonic manufacturing enviroment // J. of Applied Systems Studies. 2001. N 2(1). P. 106—126.

3. Иванов Д. А. Виртуальные предприятия и логистические цепи: комплексный подход к организации и оперативному управлению в новых формах производственной кооперации. СПб.: Изд-во СПбГУЭФ, 2003.

4. Будзко В. И., Беленков В. Г., Кейер П. А. К выбору варианта построения катастрофоустойчивых информационно-телекоммуникационных систем // Системы и средства информатики. 2003. Вып. 13. С. 16—40.

5. Охтилев М. Ю., Соколов Б. В., Юсупов Р. М. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических систем. М.: Наука, 2006.

6. Москвин Б. В., Михайлов Е. П., Павлов А. Н., Соколов Б. В. Комбинированные модели управления структурной динамикой информационных систем // Изв. вузов. Приборостроение. 2006. Т. 49, № 11. С. 7—11.

Использование мультиагентного симулятора при моделировании распределенных систем 69

Анна Владимировна Иконникова Ирина Андреевна Петрова Семен Алексеевич Потрясаев Борис Владимирович Соколов

Сведения об авторах СПИИРАН, лаборатория информационных технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: ikonnikova@iias.spb.su СПИИРАН, лаборатория информационных технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: irina.petrova.9@gmail.com СПИИРАН, лаборатория информационных технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: semp@mail.ru СПИИРАН, лаборатория информационных технологий в системном анализе и моделировании; E-mail: sokol@iias.spb.su

Поступила в редакцию 06.05.08 г.

УДК 681.3.06

В. В. Михайлов, И. С. Селяков

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИАГЕНТНОГО СИМУЛЯТОРА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ

Рассматриваются особенности применения многоагентного подхода при моделировании сложных распределенных систем. Приводятся структуры мультиагентного симулятора и многоагентной модели, лежащей в его основе, а также принципы стыковки симулятора с геоинформационной системой с использованием 8Иаре-файлов. Предложенный программный пакет позволяет решать задачи в разных предметных областях, в том числе исследовать пространственно-временную динамику сообществ и популяций живых организмов с точной географической привязкой их территориального размещения.

Ключевые слова: мультиагентные системы, распределенная модель, симуля-тор, графическое представление данных, геоинформационные системы.

Введение. Мультиагентные системы [1] представляют новую область знаний и являются универсальными для решения задач в таких областях, как экономика, экология, логистика, мониторинг бизнес-процессов и др. Учет пространственной специфики и переход к распределенным моделям при использовании многоагентного подхода осуществляется естественным путем, когда каждый агент, характеризуемый определенным набором свойств, занимает свое положение в пространстве, входит в состав сообществ, миграционных потоков и т.п. Многоагентный подход рассматривается как наиболее прогрессивный для разработки и анализа сложных интеллектуальных распределенных информационных систем.

Преимущество многоагентного подхода для моделирования экологических систем заключается в возможности одновременного моделирования динамики численности и пространственного размещения сообществ и популяций, состоящих из большого числа относительно независимых и сходных по своим характеристикам объектов.

Важным аспектом при моделировании является наглядное представление перемещения агентов в пространстве, их взаимодействия друг с другом и с окружающей средой. В настоящее время существует отдельная область знаний, занимающаяся созданием графического представления и отображения пространственных данных, — географические информационные системы (ГИС). Для представления пространственного размещения агентов на территории применение методов и современных программных средств ГИС является наиболее продуктивным.

В настоящей статье описывается структура разработанной многоагентой модели, используемой для моделирования распределенных систем, например популяции животных. Также представлен графический мультиагентный симулятор, который реализует многоагентную