Устройство нечетко-случайного моделирования сценариев развития ситуации
DEVICE FOR FUZZY-RANDOM SIMULATION OF SCENARIOS OF SITUATION DEVELOPMENT

Изобретение относится к автоматизированным системам и системам автоматического управления и может быть использовано при решении задач ситуационного управлении в которых требуется осуществлять анализ возможных сценариев развития текущей ситуации.
Известен подход к управлению объектами (процессами), согласно которому состояния исследуемой предметной области представляют в виде множества ситуаций [1]. При этом текущей ситуацией на объекте управления называется совокупность всех сведений о структуре объекта управления и его функционировании в данный момент времени. Также считается что в распоряжении системы управления имеется N различных способов воздействия на объект управления (одношаговых решений). Процесс управления основывается на выборе решений, приводящих объект к требуемой ситуации.
При этом проведение предварительного моделирования сценариев развития ситуации позволяет повысить полноту описания предметной области, упростить процесс принятия решений и повысить их обоснованность. Под сценарием развития ситуации понимается последовательность ситуаций, наступление которых обусловливается принимаемыми решениями и проявлением случайных факторов условий обстановки.
Известен способ [2], содержащий этапы, на которых принимают информацию, задающую переменные решения и переменные неопределенности для множества объектов и задающую для каждого объекта соответствующий набор из одного или нескольких алгоритмов; образуют вектор решения; выполняют процесс оценивания относительно вектора решения для определения, по меньшей мере, значения глобальной целевой функции для вектора решения; выполняют оптимизацию, в результате чего образуется множество векторов решения и соответствующих значений глобальной целевой функции; сохраняют данные в запоминающем устройстве.
Недостатком данного способа является то, что вектора решения образуются по результатам оптимизации и при этом не моделируется (разыгрывается) проявление случайных факторов, которое может привести к различным ситуациям и способствовать реализации различных сценариев развития текущей ситуации.
Также известен способ имитационного моделирования аварийно-восстановительных работ [3], согласно которому вводят исходные данные, после чего начинают моделирование, заключающееся в формировании элементарных случайных событий - интервалов времени, приходящихся на различные операции с учетом законов распределения и постоянных данных, и последующем суммировании элементарных случайных событий с учетом вероятности повторного возникновения с целью получения многократных реализаций искомой величины.
Недостатком данного способа является то, что моделируемые элементарные события не зависят от результатов принятия решения на каждом из этапов изменения ситуации, что не позволяет применить его для моделирования сценариев развития ситуации.
Также известно устройство для ситуационного управления [4], которое содержит регистр ввода, N регистров вывода, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ на N входов, N блоков классификации, каждый из которых содержит элемент И, три блока памяти, блок сравнения и счетчик адресов, блок управления, содержащий N элементов ИЛИ, две группы по N элементов И и N элементов ЗАПРЕТ на М-1 входов, блок выбора управляющих решений, содержащий М групп элементов И соответственно на два, три, …, М входов и группу М элементов ИЛИ соответственно на N-M входов. Устройство осуществляет поиск классов толерантности текущих управляющих ситуаций и соответствующих им управляющих решений на множестве полносвязных пространств толерантности, сопряженных к линейной структуре.
Недостатком данного устройства являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что множество полных ситуаций (множество, включающее все принципиально возможные (текущие) ситуации) считается известным.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство моделирования сценариев развития ситуации [6], которое содержит регистр ввода, N регистров вывода, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ, блоки памяти, блок сравнения и счетчик, дополнительный регистр ввода, счетчик и блок сравнения, блок оценивания результатов принятия решения, блок расчета целевой функции, блок выбора решения, блок моделирования результатов принятия решения, блок вывода сценария развития ситуации.
Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что моделирование принятия решений при изменении ситуаций производится на основе расчета четкой целевой функции F(S), позволяющей однозначно оценить ценность (значимость, допустимость) прогнозируемой ситуации S для лица, принимающего решение. Однако, в значительном количестве случаев критерии оценки ситуации являются нечеткими, что требует для моделирования принятия решений при изменении ситуации специальных вычислительных процедур.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и обеспечении возможности моделирования сценария развития текущей ситуации с учетом нечетких критериев оценки прогнозируемых ситуаций.
Требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее элемент ИЛИ, регистр ввода текущей ситуации, блок памяти сценария развития ситуации, генератор тактовых импульсов, блок памяти вариантов решений, первый счетчик, блок оценивания результатов принятия решения, первый блок сравнения, блок буферной памяти ситуаций, блок моделирования результатов принятия решения, второй счетчик, второй блок сравнения, регистр ввода длины сценария, блок вывода сценария развития ситуации введены блок памяти нечетких критериев оценки ситуаций, блок расчета шансов нечетко-случайного события, блок буферной памяти шансов классов ситуации, блок моделирования выбора решения, причем входы элемента ИЛИ соединены с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации и блока памяти сценария развития ситуации; вход ГТИ соединен с выходом элемента ИЛИ, а выходы со входами блока памяти вариантов решений и первого счетчика; вход блока оценивания результатов принятия решения соединен с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации, блока памяти вариантов решений и блока памяти сценария развития ситуации; входы первого блока сравнения соединены с выходом блока оценивания результатов принятия решения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; первый вход блока расчета шансов нечетко-случайного события соединен с соответствующим выходом первого блока сравнения, второй вход блока расчета шансов нечетко-случайного события соединен с выходом блока памяти нечетких критериев оценки ситуаций, первый выход блока расчета шансов нечетко-случайного события соединен с соответствующим входом первого счетчика, а второй выход со входом блока буферной памяти шансов классов ситуации; соответствующий вход блока буферной памяти шансов классов ситуации соединен с выходом первого счетчика, а выход со входом блока моделирования выбора решения; вход блока моделирования результатов принятия решения соединен с выходом блока моделирования выбора решения; вход второго счетчика соединен с соответствующим выходом моделирования результатов принятия решения; соответствующие входы второго блока сравнения соединены с выходом регистра ввода длины сценария и выходом второго счетчика; соответствующие входы блока памяти сценария развития ситуации соединены с выходом второго блока сравнения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; входы блока буферной памяти ситуаций соединены с соответствующими выходами первого блока сравнения и блока моделирования результатов принятия решения; вход блока вывода сценария развития ситуации соединен с соответствующим выходом блока памяти сценария развития ситуации.
На чертеже представлена электрическая структурная схема устройства моделирования сценариев развития ситуации (фиг. 1).
Устройство нечетко-случайного моделирования сценариев развития ситуации (фиг. 1) содержит элемент ИЛИ 1, регистр ввода текущей ситуации 2, блок памяти сценария развития ситуации 3, генератор тактовых импульсов 4, блок памяти вариантов решений 5, первый счетчик 6, блок оценивания результатов принятия решения 7, первый блок сравнения 8, блок буферной памяти ситуаций 9, блок расчета шансов нечетко-случайного события 10, блок памяти нечетких критериев оценки ситуаций 11, блок буферной памяти шансов классов ситуации 12, блок моделирования выбора решения 13, блок моделирования результатов принятия решения 14, второй счетчик 15, второй блок сравнения 16, регистр ввода длины сценария 17, блок вывода сценария развития ситуации 18.
При этом первый вход элемента ИЛИ 1 соединен с первым выходом регистра ввода текущей ситуации 2, а второй вход с первым выходом блока памяти сценария развития ситуации 3; вход ГТИ 4 соединен с выходом элемента ИЛИ 1, первый выход ГТИ 4 соединен со входом блока памяти вариантов решений 5 и первым входом первого счетчика 6; первый вход блока оценивания результатов принятия решения 7 соединен с выходом блока памяти вариантов решений 5, второй вход со вторым выходом регистра ввода текущей ситуации 2, третий вход со вторым выходом блока памяти сценария развития ситуации 3; первый вход первого блока сравнения 8 соединен с выходом блока оценивания результатов принятия решения 7, второй вход первого блока сравнения 8 соединен с первым выходом блока буферной памяти ситуаций 9; первый вход блока расчета шансов нечетко-случайного события 10 соединен с первым выходом первого блока сравнения, второй вход блока расчета шансов нечетко-случайного события соединен с выходом блока памяти нечетких критериев оценки ситуаций 11, первый выход соединен со вторым входом первого счетчика 6, а второй выход со входом блока буферной памяти шансов классов ситуации 12; первый вход блока буферной памяти шансов классов ситуации 12 соединен с выходом первого счетчика 6, а выход со входом блока моделирования выбора решения 13; вход блока моделирования результатов принятия решения соединен 14 с выходом блока моделирования выбора решения 13; вход второго счетчика 15 соединен с первым выходом моделирования результатов принятия решения 14; первый вход второго блока сравнения 16 соединен с выходом регистра ввода длины сценария 17, а второй вход с выходом второго счетчика 15; первый вход блока памяти сценария развития ситуации 3 соединен со вторым выходом блока буферной памяти ситуаций 9, а второй вход с выходом второго блока сравнения 16; первый вход блока буферной памяти ситуаций 9 соединен со вторым выходом первого блока сравнения 8, а второй вход со вторым выходом блока моделирования результатов принятия решения 14; вход блока вывода сценария развития ситуации 18 соединен с третьим выходом блока памяти сценария развития ситуации 3.
Все элементы устройства охарактеризованы на функциональном уровне. Описываемая форма их реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже при описании работы устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, в частности, алгоритм или соответствующие математические выражения.
i
Предполагается что имеется N вариантов управленческих одношаговых решений U={u}, i=1…N, которые могут изменить состояние объекта управления (текущую ситуацию).
j
Ситуация описывается как совокупность m параметров - S={x}, j=1…m. В результате принятия какого-либо решения значения параметров изменяются и происходит смена ситуации. При этом в силу действия случайных факторов значения некоторых параметров могут быть точно не определены и результат принятия решения может быть описан распределением вероятностей на некотором подмножестве ситуаций. Например, рядом распределения, согласно которому определяется подмножество L ситуаций и вероятность наступления каждой из них  таким образом, что
Считается, что алгоритм изменения параметров ситуации при принятии решения известен и может быть описан некоторым преобразованием G:
t
где S - текущая ситуация,
i
- множество ситуаций, которые могут наступить с вероятностью больше 0 при принятии в текущей ситуации решения u.
Также считается, что известны нечеткие критерии оценки ситуаций, позволяющие отнести ее к одному из заданных классов  Широко распространенным видом таких критериев являются нечеткие интервалы. В данном случае каждому из классов ситуаций соответствует выражение вида:
где  и  - граничные значения интервала, задаваемые в виде нечеткого числа.
Значения  и  задаются для каждого из классов ситуаций и характеризуют систему предпочтений лица, принимающего решение.
Так как значения параметров прогнозируемых ситуаций в общем случае являются случайными, то есть зависят от некоторого случайного исхода ω при реализации решения в текущей ситуации, критерии оценки ситуации могут быть представлены в виде нечетко-случайных событий.
j
j1
j2
Нечетко-случайная величина представляет собой измеримую функцию из вероятностного пространства в некоторый набор нечетких величин. То есть, нечетко-случайная величина есть случайная величина, которая принимает нечеткие значения. Применительно к решаемой задаче нечетко-случайный вектор ξ=(ξ, ξ) содержит компоненты, характеризующие выполнение критериальных требований для соответствующего класса ситуаций. Например:
j
j1
j2
ξ=(ξ, ξ)
j1
j2
Для установления соответствия прогнозируемых параметров ситуации х(ω) критериальным требованиям заданного класса ситуаций необходимо оценить возможность события {ξ(ω)≤0, ξ(ω)<0}.
j
j
В [7] предложена следующая количественная мера, которая может использоваться для решения данной задачи. Пусть {ξ}, j=1…m - нечетко-случайные вектора на вероятностном пространстве (Ω, А, Р). Тогда элементарные шансы нечетко-случайного события, характеризуемого соотношением {ξ≤0}, j=1…m, представляют собой функцию из [0, 1] в [0, 1], определяемую следующим образом:
j
Элементарные шансы показывают, что нечетко-случайное событие наступает с возможностью Ch{ξ≤0, j=1…m}(α) при вероятности α.
Предполагается, что решение при изменении ситуации принимается таким образом, чтобы развитие ситуации обеспечивало максимальные шансы наиболее благоприятного класса ситуаций.
Для моделирования сценариев развития ситуации предлагается оценить результаты принятия каждого из вариантов решения в текущей ситуации; оценить шансы нечетко-случайных событий, заключающихся в реализации каждого из классов ситуаций при принятии соответствующего варианта решения; выбрать оптимальный вариант решения, максимизирующий шансы наиболее благоприятного класса ситуаций; смоделировать изменение ситуации в результате принятия решения; сохранить характеристики полученной ситуации в блок памяти; повторить все описанные этапы заданное количество раз, считая получаемую в результате моделирования ситуацию текущей.
В исходном положении устройства:
i
- в блоке памяти вариантов решений 5 записаны характеристики N вариантов решений U={u}, i=1…N;
- в первом счетчике 6 установлено значение i=0, характеризующее количество оцененных вариантов решения в текущей ситуации;
- в блок памяти нечетких критериев оценки ситуаций 11 записаны значения параметров нечетких чисел, характеризующих классы ситуаций
- на регистре ввода длины сценария 17 записан код количества ситуаций Z, которые должны быть включены в моделируемый сценарий;
- во втором счетчике 15 установлено значение z=0, характеризующее количество ситуаций занесенных в модельный сценарий;
- буферная память в блоке буферной памяти ситуаций 9 пуста;
- элемент ИЛИ 1 находится в нулевом состоянии;
- в блоке расчета шансов нечетко-случайного события 10 записано значение вероятности α, которое используется для расчета шансов.
Устройство работает следующим образом.
i
0
Характеристики (значения параметров) текущей ситуации поступают на регистр ввода текущей ситуации 2. При этом формируется управляющий сигнал на первый вход элемента ИЛИ 1. Далее элемент ИЛИ 1 подает управляющий сигнал инициирующий работу ГТИ 4. При инициации работы ГТИ формируется сигнал на обнуление первого счетчика 6. На каждый такт ГТИ подает сигнал, инициирующий поочередное поступление характеристик вариантов решений u из блока памяти 5 в блок оценивания результатов принятия решения 7 на первый информационный вход. На второй информационной вход в блок 7 поступают значения параметров текущей ситуации S с регистра 2.
В блоке оценивания результатов принятия решения 7 на основе заранее сформированного алгоритма производится расчет параметров ситуаций  которые могут реализоваться при принятии i-го варианта решения, и вероятностей их реализации  Массив значений рассчитанных параметров ситуаций поступает в блок сравнения 8, где сравнивается с содержимым блока буферной памяти ситуаций 9. Все ситуации, характеристики которых отсутствуют в блоке буферной памяти, заносятся в буферную память. Каждой из ситуаций присваивается очередной порядковый номер k согласно порядку ее записи в буферную память блока 9.
j
После обновления буферной памяти, массив значений рассчитанных параметров ситуаций  поступает в блок расчета шансов нечетко-случайного события 10. В данном блоке согласно заранее сформированному алгоритму на основании нечетких критериев оценки ситуаций, поступающих из блока 11, производится расчет значений шансов нечетко-случайных событий Ch{ξ≤0, j=1…m}(α), заключающихся в переходе ситуации в заданные классы ситуаций
Далее из блока 10 поступает сигнал на первый счетчик 6, увеличивающий значение в нем на «1». Значение со счетчика 6 служит для организации записи массива полученных в блоке 10 значений в буферную память шансов классов ситуации в блоке 12.
ik
ik
*
Данные процедуры повторяются итеративно до полного перебора вариантов решений в блоке памяти 5. После передачи параметров последнего решения из блока 5 поступает управляющий сигнал, который последовательно проходя через блоки 7, 8, 10, 11 инициирует передачу массивов {Ch} и {P} в моделирования выбора решения 13. В данном блоке осуществляется выбор номера варианта решения i, позволяющему произвести изменение ситуации таким образом, чтобы обеспечить максимальное значение шансов реализации наиболее благоприятного класса ситуаций.
*
*
После выбора номера варианта решения i, соответствующий ему массив значений вероятностей реализации ситуаций  поступает в блок моделирования результатов принятия решения 14. В данном блоке формируется функция распределения вероятностей реализации ситуаций (посредством суммирования вероятностей с нарастающим итогом), генерируется равномерно распределенное число, и по тому, в интервал между какими номерами ситуаций оно попадает, выбирается номер k ситуации. Реализуется данный блок на основании генератора случайных чисел, которые широко описаны в различных модификациях.
*
*
После моделирования результатов принятия решения в блоке 14 формируется управляющий сигнал на второй счетчик 15, который приводит к увеличению хранящего там значения z длины сценария на «1». Данное значение поступает во второй блок сравнения 16, и если оно не превышает заданного ограничения длины сценария на регистре 17, то формируется сигнал в блок памяти сценария развития ситуации 3 на формирование записи об очередной ситуации. При этом номер k ситуации через второй информационный выход блока 14 поступает вход блока буферной памяти ситуаций 9. Согласно поступившему сигналу, параметры ситуации  передаются из блока 9 через второй выход в блок памяти сценария развития ситуации 3, где сохраняются в случае поступления сигнала из блока 16. После этого из блока 3 формируется управляющий сигнал на элемент ИЛИ 1, а параметры ситуации с номером k поступают из второго информационного выхода блока 3 на вход блока оценивания результатов принятия решения 7, где они заменяют характеристики текущей ситуации. После чего все расчетные процедуры повторяются.
В результате в блоке памяти сценария развития ситуации 3 накапливаются записи с характеристиками ситуаций, которые могут наступить при рациональном выборе варианта решений на каждой итерации с учетом неопределенности результатов принятия решения. Когда количество итераций моделирования z совпадет с заданной длиной сценария на регистре 17, в блоке сравнения 16 формируется сигнал на вывод информации, по которому из блока памяти сценария развития ситуации 3 массив параметров ситуаций поступает в блок вывода сценария развития ситуации 18.
Таким образом обеспечивается возможность моделирования сценария развития текущей ситуации в виде последовательности ситуаций, наступление которых обусловливается принимаемыми решениями с учетом нечетких критериев оценки прогнозируемых ситуаций и проявлением случайных факторов условий обстановки.
Литература
1. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. - М.: Наука.- Гл. ред. фнз.-мат. лит., 1986. - 288 с. Стр. 26.
2. Анализ многочисленных объектов с учетом неопределенностей, RU 2413992, 10.03.2011.
3. Способ имитационного моделирования аварийно-восстановительных работ в хозяйстве автоматики и телемеханики, RU 2531780, 27.10.2014.
4. Устройство для ситуационного управления, RU 2105343, 20.02.1998.
5. Устройство для моделирования процесса принятия решения в условиях неопределенности, RU 2534924, 10.12.2014.
6. Устройство моделирования сценариев развития ситуации, RU 2637464, 4.12.2017.
7. Теория и практика неопределенного программирования / Б. Лю; Пер. с англ. - М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - 416 с.: ил. - (Адаптивные и интеллектуальные системы).