CC BY
12Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2012 5) 140-149
УДК 004.58
среды для многокритериального технических систем
А.И. Легалова*, Д.Н. Ледяева, А.В. Анкудииов®
а Сибирский федеральный университет Россия 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 б ОАО «ИСС» им. М.Ф. Решетнева Россия 662972, Железногорск, Красноярский край, ул. Ленина, 52 1
Received 4.04.2012, received in revised form 11.04.2012, accepted 18.04.2012
Предлагаются инструментальные программные средства, обеспечивающие конструирование среды многокритериального анализа сложных систем (например, космических аппаратов связи и навигации), ориентированной на пользователя. Описываются инструменты, формирующие описания предметной области и интеграцию этих описаний с ядром, обеспечивающим выполнение вычислений.
Ключевые слова: инструментальные средства, многокритериальный анализ, пользовательский интерфейс, средства настройки.
Конструирование анализа сложных
Введение
При разработке сложных технических систем различного назначения зачастую встает проблема выбора вариантов их подсистем, каждая из которых имеет альтернативные реализации. Данная задача является нетривиальной, а ее решение бывает неочевидным из-за наличия большого количества схожих параметров у рассматриваемых вариантов и множества противоречивых критериев, проанализировать которые вручную, как правило, не представляется возможным, так как приходится проводить расчеты по сложным формулам, учитывающим характеристики подсистем различного уровня. Во многих случаях поиск решения сводится к задаче многокритериального анализа. Разнообразие прикладных областей ведет к использованию разных подходов. В настоящее время решение этой задачи поддерживается инструментальными средствами, которые условно могут быть разделены на три группы:
- специализированные системы, обеспечивающие поддержку процесса принятия решений при разработке конкретных технических систем;
- универсальные пакеты и инструменты, предназначенные для анализа разнообразных моделей и систем, содержащие также средства для многокритериального анализа;
- проблемно ориентированные системы анализа и принятия решений.
* Corresponding author E-mail address: legalov@mail.ru
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Каждая из представленных групп обладает собственными недостатками, которые не позволяют использовать их одинаково эффективно в различных предметных областях даже при относительно схожих условиях решаемых задач [1].
Разработчикам, непосредственно занимающимся анализом и выбором конфигураций сложных систем, удобнее применять специализированные средства, обеспечивающие анализ в терминах предметной области. Однако их создание может оказаться трудоемким и затратным процессом, так как при прямых реализациях каждая специализированная среда должна иметь собственный интерфейс пользователя, учитывающий специфику предметной области. Применение универсальных пакетов требует от пользователей специальных знаний, что ведет к дополнительным трудностям по освоению ими инструментов или привлечению специалистов. Выходом из положения является создание проблемно ориентированных инструментальных средств, обеспечивающих поддержку предметно ориентированных пользовательских интерфейсов, интегрируемых с универсальным ядром, которое обеспечивает решение задачи многокритериального анализа различными методами. Обобщенное описание архитектуры такой среды было представлено в [2]. Ее реализация позволила авторам приступить к анализу конфигураций ряда технических систем [3, 4]. В данной статье более подробно рассматривается организация разработанных инструментальных средств, обеспечивающих как настройку на заданную предметную область, так и формирование альтернативных конфигураций анализируемых систем.
Особенности организации системы многокритериального анализа
Комплексная задача многокритериального анализа для иерархической технической системы может быть условно представлена в виде иерархии типовых подзадач (рис. 1).
Выбор конфигураций подсистем различного уровня вложенности может рассматриваться аналогично выбору конфигурации самой технической системы. Различие определяется в предметной составляющей, формируемой в подсистеме настройки прикладной области. При таком подходе глобальная задача решается посредством ее разбиения на более простые подзадачи, в направлении снизу вверх.
Разработанная для поддержки данного подхода среда многокритериального анализа [1] представлена на рис. 2. Она состоит из трех основных подсистем.
Подсистема настройки на предметную область (ПНПО) предназначена для предварительной настройки среды на решаемую задачу. Она обеспечивает формирование специального шаблона, описывающего предметную область. В частности, с ее помощью формируется окончательный интерфейс подсистемы работы пользователя, задаются формат данных и функции, используемые в ходе вычислений. В соответствии с этим шаблоном клиентская часть программного комплекса осуществляет ввод альтернативных вариантов подсистем, а ядро производит расчеты.
Подсистема работы пользователя (ПРП) предоставляет интерфейс для работы с построенной моделью предметной области и функциями вычислительного ядра. Она дает специалисту-предметнику инструментарий для формирования множества альтернативных вариантов и обеспечивает доступ к вычислительному ядру системы.
Полсистема 1.МЛ - Подсистема 1.М2 Подсистема1.М.е -и
Рис. 1. Общий вид комплексной задачи многокритериального анализа
Подсистема настройки на предметную область
Конфигурация пользовательског о инструментария'
<б
Информация, описывающая предметную область
1 П /Ч Замечания I
II П | пользователя
\7 У —1
Подсистема работы пользователя
<а
Интерфейс
взаимодействия между уровнями
Информация, описывающая задачу
Команды на выполнение вычислении
1 П ^^Результаты I
-II II I
I» вычислений I
1\/ и -1
I Интерфейс взаимодействия между I уровнями
Подсистема ядра
Среда инструментальной поддержки пользователя в задачах
многокритериального анализа
Рис. 2. Обобщенная организация среды инструментальной поддержки
Работа со средой многокритериального анализа условно делится на два этапа: настройку программной системы на предметную область и выполнение многокритериального анализа. На первом этапе администратор среды работает с подсистемой настройки на предметную область, где решает задачу подготавки программной системы к особенностям решаемой задачи. Он вводит данные, определяющие особенности ПРП. В результате этого создается система, настроенная на предметную область, которая и передается специалисту-предметнику. На втором этапе, получив настроенную ПРП, пользователь вводит данные, необходимые для выполнения расчетов, и решает требуемую задачу многокритериального анализа.
Подсистема ядра (ПЯ) осуществляет вычислительиые операции, необходимые для выполнения многокритериального анализа, тем самым обеспечивая алгоритмическую и техническую поддержку решения задачи. На текущий момент в ней реализованы методы сужения по Парето, дополнительные алгоритмы последующего уменьшения числа отобранных
альтернатив. Модульная организация подсистемы позволяет безболезненно добавлять и другие функции, состав которых предполагается наращивать в ходе дальнейшей работы.
Подсистема настройки на предметную область
Работа в подсистеме настройки на предметную область начинается с создания администратором нового проекта системы многокритериального анализа для конкретной предметной области. Для синтеза ПРП необходимо ввести описание всей системы, опреде ляющей предметную область, подсистем и общих параметров, а также формул, используемых в расчетах. Ввод требуемых данных осуществляется с применением соответствующих элементов пользовательского интерфейса ПНПО. Атрибуты различного назначения размещаются на соответствующих вкладках приложения, выполненного в видв диалогового окна.
Формирование общего описания анализируемой системы осуществляется на вкладке «Система» диалогового окна приложения (рис . 3) , которая делится на области описания проекта и свойств системы. Используются соответствующие окна редактирования для задания сведую-щих атрибутов:
- названия проекта, отличающего его от других проектов;
-с описаний проекта в системы и цевсм, предиазначенных для его документирования и отображения в отчетной информации;
- названия анализируемой системы на русском и английском языках, которые также используются в отчетной информации (английское название в последующих версиях предполагается для описания полей баз данных);
Рис. 3. Занесение данных о проекте и системе в целом
- сокращенное обозначение системы на русском и английском языках, которые могут использоваться в названиях различных полей, а также в формулах.
В целом следует отметить, что информация в данном окне носит в основном вспомогательный характер. Применение в формулах англоязычных обозначений определяется тем, что впоследствии они используются в качестве идентификаторов внутри функций, размещаемых в исходных текстах модулей языков программирования C++ и Python, порождаемых специальным транслятором формул.
Основные атрибуты, определяющие предметную ориентацию пользовательского интерфейса подсистемы работы пользователя, задаются при описании подсистем и групп общих параметров. Описания подсистем формируются на вкладке «Подсистемы» (рис. 4), позволяющей добавлять, удалять и редактировать:
- список подсистем, каждая из которых содержит название, сокращенное обозначение и описание (англоязычное сокращение используется в формулах);
- список параметров для каждой из подсистем, где каждый из параметров имеет название, сокраще ннме обозначение на англмйском языке (для испольоовения в формулах), название едини цы измерения и описание параметра (для использования в отчетах).
Приведенные параметры могут при необходимости модифицироваться, а для их обозначения используются названия, позволяющие четко судить о прикладном назначении анализируемой системы.
Вкладка «Группы» (рис . 5) по евоей ртруктуре практически аналогична вкладке описания подсистем. Она предназначена для разбиения по отдельным категориям общих параметров си-
1 вгчь1рт» 10? " ' Kpmmm йплйрйЯ
Првгкт ШлАлыы Пвыовр
114ДС*1СТС»1Ы Грртпгш Фирмулм
и в
kS
I л
а
Ачт^пчг рпрвЛгтав
Сметем* BpH?ffTtl4J*H н СнСТЕМЙ ■ TDC
in: IFMJ ЕРрырфРсуЛирли iumi
bkV
S*tt cm
стыпн
Юмн№ МП1 ЬИУД
¿угёйвиръ
ЕЦ1Л1П»
П-1
MliH
Потребляем«* модность
Гсплов НДС ЛС*1НС
Г1рнаг^пгы1 пн^ прыч uiniic-t i% t A
Ге«пер*г>р* собственных _jwdb пен-Мсшло-ел! первдпл СТВИЫАСТк CiKP
HI :i.. I E
¿аблвипь
/|и1Л1М k
la CP1, rnj пвдьинргяы H«IBinnv[pfc] rb#TpiHf лятвр
АЛйргии. iyii-(l>Jf') HiJBJHHf-ilHr) At Й p f и uurryp J ( й I ir)
^t DEHP прикодигс II С11И1 IHHF ПЛД.Г ii r u»j в лдниам «луч» «те pefpjHCflirrtp
Aetnns-irt.«! ft TR
Cme-flfTnj п^лм^трл Mjujmh* I4*£0t
I list HthHit in
РД»1НЦЛ iilHi □ЧПИЁЛНН«
1 -
Mif s. * ретрлмг литер *|
Рис. 4. Занесение данных о подсистемах и их параметрах
стемы. Подобное разбиение для каждой предметной области может производиться произвольно по усмотрению пользователя.
Основное отличие между этими атрибутами групп и подсистем проявляется во время функционирования ПРП. При работе с подсистемами пользователь задает для каждой из них один или более вариантов параметров в соответствии с тем, сколько альтернативных версий подсистем участвует в анализе. Группы параметров предназначены для описания общих параметров системы. Поэтому они задаются только в одном варианте. Подобное различие впоследствии проявляется в ходе многокритериального анализа, но незаметно во время формирования конфигурации ПРП.
Основным отличием одной многокритериальной задачи от другой является применение формул. И если названия используемых параметров можно легко менять, не меняя в целом структуры приложения, то для задания формул, определяющих специфику приложения и последующее их исполнение, необходимо введение специальной инструментальной поддержки. Ее суть заключается в организации перехода от описания формул в интерфейсе ПНПО к виду, обеспечивающему исполнение этих формул в ходе анализа.
Существуют два основных подхода к вычислению формул, изначально написанных на некотором специализированном языке. Первый из них опирается на интерпретацию заданных формул и позволяет легко добавлять и модифицировать уже используемые формулы без каких-либо повторных конфигураций собранной подсистемы работы пользователя. Однако подобное решение значительно замедляет процесс вычисления, который при большом числе вариантов может продолжаться достаточно долго.
1 вплврвЯ (гш)
Првмгт ии£п£>|и
Сипли« Пвде^стгыи
□ В
I
ы
Готппы
Л!. _>1г п«|имп;1и
Г
Стоимость- ■сведет» выв-ВДЕИЙ^
I КД 41« Пралде-НЯЙ елиснбнй! Вррна ал нирнле^о |.|яг л» айкрдпч^ чк
Какшчгггп.в лпплр лтан. ■ вДыда^ркид Н «ДОкмйсГк средств вы»е£емнц м ■ * Ой-и и {.йервчн?- 1йщл1паг о блМй,
СТЛфТб И14 МИГ Г Л С р#Д-ГТП Ы.ШГДРИИ!
¿рЛГ-^Тя
I ^
Сввйелвл группы
Нл тлчиг[р|п 1
НлплпйЦЙМ)
АббревиитТрШ^иг) С-ПНЬ.!»* |1-
Обиу!* плр* ы<
С-аттвп р-АГАтр*-* п
С отгтррп
дшнон ок»*е гемвсднтсч опис *нне Й группы ПН1Н11ВИ
L
СнВЙСЛИй плришерри Нд иплчпг М«*"С1«Н<1'ПкФ1а ИКС»
II «р «МНЕ ИИ*» | гф
нимрргнив СНтслпле
|Ски«Е.4г«пе гер ушг>д пйилмешл
Рис. 5. Занесение данных о группах и параметрах групп
Другой вариант предполагает трансляцию исходных формул в программный модуль, написанный на языке программирования, используемом при создании системы многокритериального анализа. В результате формулы становятся частью ПРП и после компиляции полностью интегрируются с ней. Данный подход был реализован в рассматриваемой системе несмотря на то, что он ведет к повторным конфигурациям подсистемы работы пользователя. Определяющей стала намного более высокая скорость вычисления по заданным формулам.
Ввод формул осуществляется на вкладке «Формулы» диалогового окна (рис. 6), которая содержит следующие поля:
- название формулы, применяемое для его отображения в различных окнах и отчетах (позволяет легко идентифицировать формулу);
- список названий всех формул, позволяющий выбирать их для редактирования параметров;
- сокращенное название формулы на английском языке, применяемое для подстановки в другие формулы;
- флаги, задающие использование формулы (в расчетах по Парето, в качестве граничных или промежуточных);
- параметр, определяющий граничное значение;
- параметр, указывающий, к чему стремится значение формулы (к минимуму или максимуму);
- описание формулы в виде неформального комментария;
- сама формула, фигурирующая в расчетах.
к КАЙЛИМОМ - НА*.№1Г1|<ГЙ лнылрл1 {иеСТЗ
Формули-Свойстал фврнщлм
МЛЭВЛЛНЕ ОБм^ллмле ЕЛ к"А
Сй1фЛ1Ц^ЛИГ(Л11Г) М кй
Фэимпчл
УИГКгп » З^И Ч.1П » ЫНА.т * ЬУТИ №N.171 »
1КОЦ_Ми_МРНп|* 5 ВКИ.1П • *Н>;и.|п • 4»5,|п •
гчмипт I ^ЧК.гп > I > ^КОМ МП т
Ф ^тп ьнктся к ниьитм* Ймиимкжьйёпш К | ^.Гвгптсп
К Испвливветь в расчетах д^я с>ж«нни по 11лр ьто
ППН? Н1НГ
С':ич:,7м мре^ ■ янлчвн* ^м н «чип еЬщен мл1(.ы
кл-гмкчлг кйгт& ллпарлтл 1-1Л-РТИГПЛЛ1,гПГЛТ1.ГИ клип фтрлинчигелл^ и прнниагвкрнтерид^чиан лн*лн1Е,
ЯВЛЯЕТСЯ **1Н<1М|11Ь1РУЛМЫМ ПЛр*Ч^трВ& (|Т Я
1-1*
ДгЬгашь
___—А
Рис. 6. Занесение данных о формулах
Спецификой ПНПО является задание формулы с ориентацией на объектную привязку. В ней непосредственно не представлены ни формальные параметры, ни индексы вариантов подсистем, формирование которых возлагается на транслятор формул, преобразующий текущее представление в программный модуль по описанной выше схеме. Например, если параметр формулы принадлежит одной из подсистем, то перед ним ставится префикс 8, за которым через точку следует обозначение подсистемы, а далее (вновь через точку) обозначение параметра. То есть обозначение S.RTR.m указывает на массу ретранслятора, который, в свою очередь, выступает подсистемой. Аналогично параметры групп начинаются с префикса О, а другие формулы, используемые в вычислениях формул, - с префикса Е.
В результате работы ПНПО создается проект, являющийся законченным приложением, обеспечивающим многокритериальный анализ в заданной предметной области. В целом различные проекты имеют одинаковое вычислительное ядро, единую структуру приложения, но отличаются данными и формулами, описывающими предметную область.
Подсистема работы пользователя
Подсистема работы пользователя, порождаемая с помощью ПНПО, предназначена для непосредственного выполнения многокритериального анализа и реализована в виде самостоятельного оконного приложения, работающего независимо от остальных частей всего программного комплекса (рис. 7). Она обеспечивает решение двух основных задач:
- формирование множества альтернативных вариантов для последующего многокритериального анализа;
- управление процессом вычислений в ходе многокритериального анализа.
Интерфейсный модуль подсистемы работы пользователя предназначен для организации
работы с программой в диалоговом режиме. Он также обеспечивает сохранение данных на внешних носителях и чтение с них сохраненной информации, формирование отчетов, взаимодействие с вычислительным ядром системы.
Через выпадающие списки, расположенные в нижней части окна приложения, обеспечивается доступ к существующим подсистемам для создания их новых версий и задания в этих версиях значений параметров, применяемых во время вычислений. Окно параметров одной из подсистем приведено на рис. 8. Использование системы меню и инструментальной панели позволяет выполнять следующие функции:
- создавать новые наборы данных, сохранять и повторно загружать их ;
- вырорать формулы, используемые для сужения по Парето;
Рис. 7. Главное окно подсистемы работы пользователя
Ретранслятор ? у
1 2 3 —
Масса (кг) 100.0 650.0 375.0
Потребляемая мощность (Вт) 200.0 5000.0 2600.0
Мощность излучения (Вт) 50.0 250.0 125.0
Полоса пропускания приемника (Мгц) 1.0 500.0 250.0
Температура собственных шумов приемника (град,К) 150,0 300,0 225.0
Тепловыделение (Вт) 50.0 400.0 225.0
Приведенная пропускная способность (тлф.каналов) 100.0 10000.0 550.0
Приведенная информативность КА (МБод) 75.0 3600.0 1837.0
Количество стандартных стволов 5.0 100.0 52.0
Объем (куб.м) 0.1 3.0 1.5
Мощность передачи (Вт) 150.0 3500.0 1825.0
Срок активного существования (лет) 1.0 15.0 8.0
Вероятность безотказной работы 0.75 0.999 0.88
Стоимость изготовления (млн.руб.) 5.0 10.0 15.0 т
Добавить вариант Удалить вариант Сохранить Отменить
Рис. 8. Окно параметров подсистемы
- формировать о тчетыа по результатам выасислений;
- проводить предусмотренные вычисления.
Подсистема ядра
Вычислительное ядро комплекса представляет собой программную систему, осуществляющую вы>1числительны1е операции для поддержки многокритериального анализа. Оно реа-лиаовано в виде набора библиотек, которыые вышолняют оодельнысе типы1 рисчетов. Ядро как программная система не обладает собственным пользовательсиим интерфейсвм и работает только в сочетании с клиентской частью программного комплекса. Пользовательское приложение формируют запросы на проведение вычислений, а ядро в соответствии с полученными параметрами и даннывми реализует их, используя нужныге би°лиотеки. Результата работа ядра возвращаются обратно в подсистему работы пользователя, где дополнительно интерпретируются и применяются для формирования отчета.
Закл качение
Представленныее инстру ментальный средства о боспечивают ие товько проведение ткебуе-мых вычислений, но и предварительную настройку приложения на предметную область, что облегчает работу пользователей, решающих конкретные прикладные задачи. Организация сре-ды>1позволяет разделить функции различныах поньзователей, отделить настройку на предметную область от процесса непосредотаенного решения задочи. Использовавие деля реализатии системыв библиотеки Q0, языпсов программирования Python и C++ обеспачквает перено симость
- 148 -
на различные операционные системы. Независимость вычислительного ядра от пользовательских интерфейсов позволяет эволюционно наращивать функциональные возможности приложения. В настоящее время прототип среды используется для анализа конфигураций космических аппаратов связи.
Работа выполнена при финансовой поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. (код проекта 02.740.11.0621).
Список литературы
[1] Легалов А. И., Ледяев Д. Н., Анкудинов А. В. // Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета. Красноярск, 2009. Вып. 2 (23). С. 50-55.
[2] Легалов А.И., Ледяев Д. Н., Анкудинов А. В. // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. Новосибирск, 2010. Т. 8. Вып. 1. С. 35-44.
[3] Анкудинов А. В. Перспективные технологии проектирования КА связи на ранних этапах жизненного цикла// Перспективные материалы, технологии, конструкции: Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Красноярск: САА, 1997. Вып.3. С. 259-262.
[4] Drozdowicz M.; Ganzha M. Paprzycki M. Gawinecki M. Legalov A. // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies. 2009. 2 (1). С. 3-22.
Design of Environment for Multicriterial Analysis of Complex Engineering Systems
Alexander I. Legalova, Dmitry N. Ledyaeva and Alexander V. Ankudinovb
a Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk 660041 Russia bAcademician M.F. Reshetnev «Information Satellite Systems», 52 Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972 Russia
In the article is proposed software which provides construction of user's oriented environment for multi-criteria analysis. The tools for shaping of descriptions of the subject area and the integration of these descriptions with the kernel, which provides computing are described too.
Keywords: software tools, multi-criteria analysis, user interface, customization tools.
