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: це-леполагание, 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

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 £ = , V = 1, 2,..., /}. 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.

Предположение 2. Особенность постановки задачи планирования структурно-функциональной реконфигурации сложного объекта в первую очередь связана с тем, что совокупность частных показателей ) = (Г1(5У),F2(SV),...,ГИ),...,ГН)), И е Н = {1,2,..., Н}, качества функционирования объекта в состоянии может быть декомпозирована на две группы

показателей. Первая группа показателей отражает структурно-топологические (статические) характеристики системы (структурную надежность, структурную устойчивость, структурно-

топологические свойства и т.д.) — Ги ), И е Н^ е Н ; вторая группа отражает структурно-функциональные (динамические) характеристики (функциональную устойчивость, производительность, расходуемые ресурсы, эффективность и др.) — Ги ), И е Нип ^ Н, причем

#8гг и #&п = Н .

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 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 Ги), И = 1, 2,..., Н , качества функционирования объекта в каждом из состояний зависят от множества отказавших, работоспособных 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

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.

-[ 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

,_р*3_,

] Направление 5 у.

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 вероятностно-статистическим закономерностям

3. Декомпозиция частных показателей на структурно-топологические и структурно-функциональные

IV

-( Частные проблемы )-

Неизвестно множество промежуточных состояний, составляющих последовательность измененных состояний СО

Неизвестна последовательность измененных состояний СО

Неизвестна длительность интервалов постоянства структуры СО

Рис. 1

Особенности современных СО с перестраиваемой структурой

Научное направление

многоцелевой характер функционирования

мобильность основных элементов и подсистем

избыточность основных элементов и подсистем и связей между ними

монотонные—немонотонные, однородные—неоднородные, равноценные—неравноценные структуры

Структурная динамика сложных объектов

Варианты реконфигурации СО

Решаемая проблема —

Планирование структурно-функциональной реконфигурации СО

концепции:

системный анализ и моделирование, современная теория управления сложными динамическими системами с перестраиваемой структурой

структурно-топологические, структурно-функциональные, количественные и качественные, статистические и экспертные показатели функционирования

наличие унифицированных технических средств

наличие стохастических, нечетко-возможностных,

интервальных возмущающих факторов

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

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) Структурно-функциональная реконфигурация СО

—[ Исходные данные ^—

состав СО, множество подсистем и вариантов взаимосвязей ФЭ

пространственно-временные, 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

Ж

—(. Исходные данные ^—

Классы задач комплексного моделирования структурно-функциональной реконфигурации СО

Задачи класса А

Задачи класса Б

Задачи класса С

варианты воздействия внешней среды на СО

цели и задачи, стоящие перед СО на заданном интервале времени

структурно-топологические

и структурно-функциональные показатели функционирования СО

количественные и качественные показатели критичности отказов ФЭ СО

Рис. 2

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 структурно-функциональной 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 структурно-функциональной 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-декомпозицион-ного 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 Е8ТЬЛТЯи8: проекты 1.2/ЕЬЫ-121/2011/13, 2.1/ЕЬМ-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., КузнецоваМ. Г., ГорбачикЕ. 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.

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.

Сведения об авторе

Александр Николаевич Павлов — 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.

УДК 519.8

О. В. Майданович

ДИНАМИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ПРОЦЕССОВ УПРАВЛЕНИЯ ЖИЗНЕННЫМ ЦИКЛОМ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Представлен анализ современного состояния исследований процессов управления жизненным циклом сложных объектов. Предложена оригинальная динамическая интерпретация указанных процессов, базирующаяся на теории управления структурной динамикой.

Ключевые слова: жизненный цикл сложных объектов, управление структурной динамикой, комплексное моделирование.

В настоящее время особое внимание отечественных и зарубежных научных школ привлечено к решению таких актуальных проблем, как создание и внедрение новых поколений систем управления жизненным циклом сложных объектов и их основной разновидности — сложных организационно-технических систем (СОТС). При этом на практике (особенно в условиях рыночных отношений) имеют место экономическая неравномерность и неравнозначность различных программ выделения денежных средств на проектирование, разработку, эксплуатацию и совершенствование основных элементов и подсистем СОТС. В этой ситуации каждому конкретному варианту создания и применения СОТС (в том числе, в космической отрасли) соответствуют различные соотношения между эффективностью и стоимостью указанных систем. В этой связи в последнее время значительно возрос интерес к исследованию проблем, связанных с оцениванием и анализом эффективности жизненных циклов СОТС и выбором наиболее предпочтительных вариантов управления их развитием.

Под жизненным циклом сложных организационно-технических систем понимается последовательность фаз их развития от момента формирования облика данных систем до момента снятия их с эксплуатации (перехода на новую систему). Проведем краткий анализ современного состояния исследований в рассматриваемой предметной области.

Возросший интерес к проблемам создания и внедрения систем управления жизненным циклом сложных объектов привел к необходимости проведения значительного количества фундаментальных и прикладных междисциплинарных исследований по данным вопросам. В качестве первого примера такого рода исследований можно привести международный проект PROMISE (Product Lifecycle Management and Information Tracking Using Smart Embedded Systems), в разработке которого участвовали 22 организации из Евросоюза, Швейцарии, Японии, Австралии и США [1]. В результате выполнения этого проекта, успешно завершенного в 2008 г., была предложена более совершенная технология управления жизненным циклом, которая получила название CL2M (Closed Loop Lifecycle Management — управление жизненным