Метод оценки времени выполнения процессов и адекватности имитационной модели электронного документооборота технической документации Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ЭЛЕКТРОННЫЙ ДОКУМЕНТООБОРОТ

УДК 656.25

П. Е. Булавский, Д. С. Марков

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

МЕТОД ОЦЕНКИ ВРЕМЕНИ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЦЕССОВ И АДЕКВАТНОСТИ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННОГО ДОКУМЕНТООБОРОТА

технической документации

Приведено описание формализованной схемы (ФС) электронного документооборота технической документации (ЭДТД) на устройства железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ). На основе этой схемы предложен метод оценки временных параметров ЭДТД с помощью аппарата динамических вероятностных нагруженных графов (ДВНГ). Доказана необходимость использования полученной ДВНГ-модели в качестве альтернативной для выполнения процедур верификации и валидации имитационной модели ЭДТД.

электронный документооборот технической документации, обобщенная формализованная схема, имитационная модель, адекватность, верификация, валидация, динамические вероятностные нагруженные графы.

Введение

Оценка параметров электронного документооборота технической документации (ЭДТД) систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) предполагает выполнение системных исследований методом имитационного моделирования с учетом целого ряда особенностей: территориальной распределенности средств ЭДТД, временной продолжительности реализации проектов СЖАТ, большого числа участников, решающих разнородные задачи [1].

Разработка автоматизированной технологии, программных средств электронного документооборота технической документации и синтез имитационной модели, позволяющей оценивать его эффективность осуществляется

45

на основе концептуальной модели (КМ), учитывающей приведенные выше особенности ЭДТД [1]. В соответствии с предложенной КМ методология описания документооборота основывается на выделении следующих составляющих ЭДТД:

- комплекты технических документов (КТД) с их возможными состояниями и областями допустимых значений;

- участники, включая заказчиков, проектировщиков, заводы-изготовители аппаратуры, служба Ш, причастные службы и организации;

- процессы создания, контроля, архивирования, движения, корректировки, применения по назначению КТД и т. п.;

- нормативная документация, обеспечивающая регламентацию действий участников по выполнению процессов, реализующих целенаправленное изменение состояний КТД;

- мониторинг состояния ЭДТД по времени выполнения процессов и качеству КТД.

Содержательное наполнение КМ (модель-описание) формируется в соответствии с выделенными составляющими по результатам обследования реальных процессов ЭДТД в хозяйстве автоматики и телемеханики. Это позволяет перейти от модели-описания к формализованной схеме, которая служит основой разработки автоматизированной технологии и имитационной модели ЭДТД.

1 Формализованная схема ЭДТД

Формализованная схема ЭДТД синтезируется по обобщенной формализованной схеме (ОФС) технологических процессов на железнодорожном транспорте, при этом исследуемая система рассматривается как сложная система массового обслуживания (ССМО) [2]. Следует отметить, что ОФС является формой, определяющей состав и вид данных, необходимых для формализованного описания конкретной системы. ФС ЭДТД, сформированная в соответствии с ОФС и данными обследования, состоит из трех разделов: модель внешней среды в виде потоков заявок - комплектов технических документов; модель ЭДТД как сложной системы массового обслуживания, включающая структурно-алгоритмическое и параметрическое описания; множество операционных характеристик процессов создания, идентификации, движения и применения ТД с одной стороны и загрузки участников, технических средств и подсистем ЭДТД с другой. ФС строится на основе структурно-алгоритмического отображения ЭДТД. Процессы документооборота рассматриваются как дискретные и формализуются в виде параллельных логических схем алгоритмов (ПЛСА) [3], а структура системы учитывается указанием соответствия между операторами ПлСА и выполняющими их

46

участниками ЭДТД. При этом на выполнение как процессов в целом, так и отдельных операций накладываются соответствующие правила и ограничения. Для синтеза системы мониторинга, управления и контроля качества работ в процессах ЭДТД выделены технологические цепочки, соответствующие стадийности выполнения работ от их начала до завершения строительства и ввода СЖАТ в эксплуатацию. Под технологической цепочкой понимается функционально завершенная последовательность операций над КТД. При этом уровень формализации этапов технологического цикла должен быть достаточен для мониторинга и контроля качества их выполнения.

Уровни иерархии рассматриваемых процессов ЭДТД соответствуют уровням детализации технологических цепочек. Алгоритмические уровни отражают степень детализации элементарных операций для рассматриваемых технологических цепочек на данном иерархическом уровне. Элементарные операции данного уровня могут, в свою очередь, представляться алгоритмами на следующем (низшем) алгоритмическом уровне. Детализация основных процессов по составляющим их технологическим цепочкам приведена в таблице.

Процессы электронного документооборота ТД Источник информации

1. Разработка технических заданий (ТЗ) и технических условий (ТУ) на проектируемые объекты

1.1. Включение объекта в план проведения работ по строительству и модернизации Генеральный заказчик

1.2. Разработка, согласование и утверждение задания на проектирование Служба Ш, причастные службы

1.3. Разработка, согласование и утверждение технических условий Служба Ш, причастные службы

2. Разработка, согласование и утверждение утверждаемой части проектно-сметной документации

2.1. Проектирование утверждаемой части проектносметной документации Проектная организация

2.2. Согласование и утверждение утверждаемой части проектно-сметной документации Служба Ш, причастные службы

3. Проектирование, отправка и экспертиза проектносметной документации

3.1. Проектирование технической документации по принципиальным и монтажным схемам, спецификациям оборудования, изделий и материалов, объектным сметам на строительство Проектная организация

47

Окончание таблицы

Процессы электронного документооборота ТД Источник информации

3.2. Передача заказчику (отправка) технической документации по принципиальным и монтажным схемам, спецификациям оборудования, изделий и материалов, объектным сметам на строительство Проектная организация

3.3. Экспертиза технической документации по принципиальным и монтажным схемам, спецификациям оборудования, изделий и материалов, объектным сметам на строительство Служба Ш

3.4. Передача на завод изготовитель проектной документации по принципиальным и монтажным схемам 4. Изготовление, строительство и проведение пуско-наладочных работ по системам автоматики и телемеханики Проектная организация, Завод-изготовитель

4.1. Изготовление приборов и оборудования Завод-изготовитель

4.2. Строительство системы Подрядчик

4.4. Распределение полученных с заводов-изготовителей приборов по объектам капитального строительства и ШЧ Служба Ш

4.6. Установка приборов и оборудования в конструктивы в ШЧ ШЧ РТУ

4.7. Проведение пуско-наладочных работ Служба Ш

4.8. Проведение рабочей комиссии по готовности к вводу системы в эксплуатацию Служба Ш, причастные службы

4.9. Проведение приемочной комиссии по вводу системы в эксплуатацию Генеральный заказчик, Служба Ш, причастные службы

4.10. Исправление технической документации по итогам проведения пуско-наладочных работ Проектная организация

Приведенные характеристики определяют ЭДТД как объект моделирования и позволяют сформулировать концепцию синтеза и развития ИМ ЭДТД:

- ЭДТД формализуется как сложная сетевая система массового обслуживания;

- ИМ должна строиться на основе многоматричного представления процессов ЭДТД, где каждая матричная схема алгоритма (МСА) является формализованным описанием технологической цепочки, перечень которых приведен в таблице 1 [4];

- моделирующий алгоритм (МА) должен представлять собой алгоритм обработки МСА. Это обеспечивает независимость МА от вида моделируемых

48

процессов, подверженных изменениям при разработке новых автоматизированных технологий ЭДТД, оценка эффективности которых и является задачей имитационных исследований;

- участники ЭДТД отображаются в ИМ в виде моделей обслуживающих устройств (МОУ), множество которых образует библиотеку. Библеотека должна быть открытой, т. е. доступной для изменения состава и характеристик МОУ;

- комплекты технических документов рассматриваются в ИМ ЭДТД как заявки со своими идентификаторами и наборами свойств, включая изменяемое в процессе выполнения технологических цепочек качество КТД;

- параметрическое описание потоков заявок - КТД и процесса их обслуживания должно выполняться на уровне исходных данных заполнением соответствующих матриц.

Первая версия ИМ ЭДТД разработана в соответствии с предложенной концепцией в среде GPSS WORLD [5]. В настоящее время выполняются работы по оценке адекватности ИМ ЭДТД и возможности ее применения для анализа показателей эффективности вариантов реализации автоматизированных технологий ЭДТД.

2 Обеспечение и контроль адекватности имитационной модели ЭДТД

Имитационное моделирование это совокупность процессов создания и верификации (verification-VE) ИМ, валидации (validation-VA) приложений, планирования и проведения серий имитационных экспериментов, обработки полученных результатов и выработки рекомендаций по системным решениям. Качество предлагаемых рекомендаций определяется достоверностью результатов моделирования, которая зависит от качества ИМ, определяемого ее адекватностью. Адекватность это свойство ИМ, а именно степень соответствия модели исследуемой системе или процессу относительно цели данного исследования. Таким образом, процессы разработки и эксплуатации на всех этапах жизненного цикла ИМ должны сопровождаться процедурами обеспечения и контроля ее адекватности.

По своей природе метод имитационного моделирования не структурирован и его определяют как «наука и искусство». Это означает зависимость качества ИМ от квалификации системного аналитика и целесообразность структурирования ИМ в конкретных областях и (в данном случае) для оценки эффективности ЭДТД СЖАТ. В соответствии с этим разработка, обеспечение и контроль адекватности ИМ ЭДТД выполняются на основе ФС, что позволяет структурировать и в значительной мере формализовать процедуры синтеза ИМ ЭДТД и контроля ее адекватности.

49

ИМ ЭДТД разрабатывается в среде GPSS World на основе многоматричной формализации ИМ, реализованной в виде программного комплекса многоматричной модели сложных систем массового обслуживания (ММССМО) [4]. Настройка ММССМО на ЭДТД осуществляется на уровне исходных данных заполнением соответствующих матриц по структурно-алгоритмическому и параметрическому описанию в ФС.

Обеспечение адекватности ИМ в таком случае предполагает решение двух групп задач:

1) обеспечение корректности ММ ССМО;

2) обеспечение достоверности структурно-алгоритмического и параметрического описаний ЭДТД в соответствии с ФС.

Решение задач первой группы достигается использованием формализмов параллельных логических схем алгоритмов (ПлСА) и их матричных преобразований [3], а также мощными диагностическими и отладочными средствами системы GPSS World. С помощью таких же средств синтезируются программы библиотеки моделей обслуживающих устройств. Задачи второй группы решаются проведением экспертиз структурно-алгоритмического отображения, контролем корректности ПлСА технологических цепочек и соответствия операторов ПлСА выполняющим их участникам ЭДТД. Достоверность параметрического описания основывается на использовании соответствующих методов математической статистики для получения вероятностно-временных характеристик операций, вероятностных логических условий, входящих в ПлСА и потоков заявок -КТД.

Аналогичным образом задачи контроля адекватности ИМ ЭДТД разделяются на две группы:

1) доказательство корректности ММ ССМО;

2) контроль адекватности ИМ ЭДТД.

Указанные задачи решаются выполнением процедур VE и VA. Содержание этих двух понятий в различных работах по системному анализу, моделированию и программированию трактуется по разному в основном из за предпочтений разработчиков. Часто понятие VA ассоциируют с процедурами оценки однородности результатов моделирования и, например, аналогичных данных обследования реальной системы или ее существующего аналога. Тогда неясно применение этого понятия для вновь разрабатываемых систем, не имеющих функционирующих аналогов, а также ограничивается набор методов VA. В других работах термины валидация и верификация рассматриваются как синонимы. В связи с этим авторы считают предпочтительным для исследования процессов ЭДТД разделение процедур VE и VA не по применяемым методам, а по назначению и решаемым задачам. Такая трактовка VE и VA дается, например, в ГОСТ Р ИСО 9000-2001: верификация - «подтверждение на основе представленных объективных свидетельств того, что установленные требования были выполнены»; валидация - «подтверждение на основе пред-

50

ставленных объективных свидетельств того, что требования, предназначенные для конкретного использования или применения, выполнены».

Иначе говоря, процедуры VE отвечают на вопрос: сделано ли то, что предполагалось, а VA - допускается ли использовать то, что сделано для конкретных исследований.

Это означает, в частности, возможность использования одних и тех же методов для выполнения VE, VA, в том числе и сравнения результатов моделирования с данными натурных наблюдений.

По отношению к разработке и применению ИМ ЭДТД такое понимание VE, VA предполагает:

- выполнение процедур VE для программного комплекса ММССМО;

- валидацию исходных данных по ЭДТД в объеме ФС;

- валидацию ИМ ЭДТД.

Верификация ММ ССМО выполняется проведением серии имитационных экспериментов с тестовыми ПЛСА, содержащими функционально полный набор комбинаций логических, ждущих, вероятностных условий, операторов распараллеливания и объединения параллельных ветвей. Процедуры VA исходных данных приведены выше и выполняются в процессе синтеза структурно-алгоритмического и параметрического описания ЭДТД.

В качестве основного подхода к валидации ИМ признан метод сравнения результатов моделирования с данными реальной системы в случае ее существования. Однако как показывает опыт проведения натурных обследований сложных систем организационно-технологического типа, подобные мероприятия являются дорогостоящими, требуют больших затрат времени и привлечения большого количества работников. Результатом таких работ является, как правило, точечная оценка характеристик исследуемой системы. В то же время для надежной валидации ИМ необходимо иметь оценки результатов моделирования в диапазоне значений управляемых переменных заданном на этапе планирования экспериментов. Все изложенное в полной мере относится к ИМ ЭДТД. Решение поставленной задачи достигается разработкой альтернативной модели (АМ), которая должна быть значительно проще и учитывать только существенные для выполнения процедур VA характеристики на верхнем иерархическом уровне описания ЭДТД. При этом обязательными являются процедуры VA с использованием натурных данных как для ИМ ЭДТД, так и для АМ. Сравнение результатов моделирования на ИМ ЭДТД и АМ целесообразно выполнять на основе непараметрических критериев, таких как критерии Манна-Уитни, Колмогорова-Смирнова и т. п. Однако задачи определения объемов сравниваемых выборок и реализация аппарата их сравнения по выбранным критериям выходят за рамки данной работы. По результатам выполнения процедур VE и VA делается вывод либо о возможности применения ИМ по назначению, либо о необходимости ее калибровки с последующим повторением VE и VA.

51

В следующем разделе изложены результаты разработки АМ на основе аппарата динамических нагруженных графов (ДВНГ) [6].

3 Метод оценки временных параметров ЭДТД на основе ДВНГ

Выбор аппарата ДВНГ для синтеза АМ ЭДТД обуславливается следующими факторами:

- использованием для ИМ ЭДТД и АМ одной и той же формализованной схемы, т. е. одной и той же информации;

- моделированием процесса ЭДТД с требуемой для процедур VA детализацией;

- моделированием процессов с учетом вероятностно-временных характеристик операций-вершин и вероятностей существования взаимодействующих дуг графа. Последнее особенно существенно для учета качества КТД и его изменения в процессе ЭДТД;

- использованием ДВНГ модели как самостоятельного средства для проведения экспресс оценок показателей эффективности ЭДТД.

В [6] даны определение и описание свойств динамических вероятностных нагруженных графов.

Динамическим вероятностным нагруженным графом называется ориентированный граф G = (XG, PG ),(| XG\ = n,| PG\ = m), у которого в любой момент времени t е T, для любых вершин х ., x из XG l-я дуга Ujl) е PG существует с вероятностью Pjl) (t). Если в данный момент времени t дуга Ujl) существует, то она характеризуется априорно известной величиной Ct(U.j) - нагрузкой дуги в момент времени t.

Введем определение: динамическим вероятностным технологическим процессом (ДВТП) будем называть динамический вероятностный нагруженный граф технологической цепочки, соответствующей описанию процесса обработки комплекта технических документов ЭДТД логически взаимосвязанной, функционально полной последовательностью операций.

Матрицей смежности ДВТП A(G)

[4x4] '

aj

называется квадратная ма-

трица размерностью [nxn], n = |XG|, каждый элемент а. которой равен количе-

ству возможных дуг (петель при i = j) из вершины х. е XG в вершину х. е Х(

G

Матрицей вероятностей ДВТП G = (X PG) называется матрица PG(t)=

Pj(t) размерностью [nxn], n = |XG|, каждый элемент Pj(t) = (PjX)(t),Pj2)(t),..., Pjkjj (t)) которой есть вектор вероятностей существования соответствующей

дуги из вершины x. е XG в вершину xj е XG в момент времени t.

52

Будем говорить, что упорядоченная последовательность дуг (Uii, Uff,...,Ufk) ) образует возможный путь ц (Н2 ' '^\ из вершины x. е XG в вершину x е XG, если существует такая упорядоченная по возрастанию последовательность согласованных временных срезов (t , t , ..., t.), что соответствующая ей упорядоченная последовательность вероятностей

(P/l^^i),P^(Ъ ), . . . ,РЦ) (t. )) не содержит нулевых элементов.

12 1 *2*3 2 к к+1 к

В [6] даны определения надежности и риска пути для транспортных сетей. Сформулируем указанные определения для ЭДТД с учетом качества технической документации.

Надежностью пути ц )), соответствующей времени начала ЭДТД

t. , будем называть величину S = P.(/l)(ti)хР^(t. )х...хР*1.к) (t. ).

. 1 *1*2 1 /"2 i 3 2 *к*к+1 к

(1,12,-.,1к) соответствующим времени начала ЭДТД t

>(Z1)(t ) х Р(l2)(t ) х х р(к)

/2/3

Риском пути Ц^Р2, . Л

(/1,/2,...,/к+1)

будем называть величину Т = (1 -P.'-1)(ti)хР(2)(tt )х...хРХ) (t. )).

*12 1 /9/3 2 кк+1 к

Надежность и риск каждого возможного пути являются функциями времени начала ЭДТД ti .

В [7] изложены принципы оценки качества технических документов. Сформулируем задачу моделирования как оценку времени выполнения процессов (табл. 1) в зависимости от достигнутого качества технической документации и времени начала процессов ЭДТД.

Рассмотрим процесс П. (рис.).

Пг

U

42

C(U )

v 42

Х5

Х5

Введем следующие обозначения:

Х1 - проектирование технической документации;

53

X2 - проверка и исправление ошибок в технической документации проектной организацией;

Х3 - экспертиза технической документации;

Х4 - передача технической документации на завод-изготовитель;

Х5 - изготовление и строительство СЖАТ.

Таким образом, на рисунке Х1 + Х5 - операция процесса П.;

Т ^ т5 - время выполнения операции X процесса П.;

U к. - дуга из вершины X. в X;

Сцип) - нагрузка дуги из вершины X в X;

Pj ) - вероятность условного перехода в зависимости от качества

технической документации, участвующей в операции X процесса П Матрица смежности для указанного графа будет иметь вид:

A(G )[5х5]

0 1 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

0 1 0 0 1

0 0 0 0 0

Матрица вероятностей будет иметь вид:

PG ( K ТД )[5х5]

0 P12( K ТД ) 0 0 0

0 0 P23 (K ТД ) P24( K ТД ) 0

0 P32( K ТД ) 0 P34( K ТД ) 0

0 P42( K ТД ) 0 0 P45 (K ТД )

0 0 0 0 0

Введем три типа операций и вероятностные логические условия: операции, порождающие качество технической документации с заданной вероятностью X; операции, длительность которых зависит от качества технической документации X Х3, Х4; операции, повышающие качество технической документации X Х3; логические условия, вероятность перехода в которых зависит от качества технической документации P.. (КТд).

Учитывая, что т. = f (К) для i = 2 + 4; n =f (К); m=f (К), обозначим: т. - время выполнения элементарной операции X процесса П.; P (К ) - вероятность условного перехода как функция от качества технической документации; т. (КТд) - время выполнения элементарной операции как функция от качества технической документации.

Определим время выполнения процесса П.:

54

Хп, -Т1 + C(Un) + n

+т

4( кХд )

+ C (U334) + C (U472)) + C (U45) + T5,

где

Ti f (P(Xi))P(Кхд); C(Un) f (()P(Кхд) ’

где, в свою очередь, P - вероятность порождения уровня качества технической документации при выполнении операции X.

Общая продолжительность процесса ЭДТД включает совокупность элементарных для данного уровня представления операций, выполняемых на разных стадиях ЭДТД, и нагрузок дуг в соответствии со структурной схемой взаимодействия процессов и вероятностью выполнения условных переходов в данный момент времени.

Предложенная ДВТП модель позволяет более точно определять продолжительность реализации элементарных операций и переходов на данном иерархическом уровне представления при проведении натурных обследований, подготовке исходных данных для синтеза и валидации ИМ ЭДТД, предварительной оценке времени моделирования и калибровки ИМ.

Заключение

- предложен подход к обеспечению и контролю адекватности ИМ на основе формализованной схемы ЭДТД и выполнения процедур верификации и валидации модели;

- определены назначение и последовательность выполнения процедур VE, VA для доказательства корректности программного комплекса ММССМО и оценки адекватности ИМ ЭДТД;

- доказана необходимость разработки альтернативной модели для валидации ИМ;

- обоснован выбор аппарата ДВНГ и разработана альтернативная ДВТП модель процессов ЭДТД верхнего уровня иерархии.

Следующими этапами выполнения работ по синтезу и применению ИМ ЭДТД являются:

- выбор математического аппарата и разработка методики валидации ИМ по данным натурных наблюдений и расчетов на ДВТП модели;

- выполнение процедур валидации и оценка адекватности ИМ для исследования показателей эффективности автоматизированных технологий

В работе:

ЭДТД;

55

- планирование и проведение серий имитационных экспериментов для оценки выбранных показателей.

Библиографический список

1. Концептуальная модель электронного документооборота технической документации / П. Е. Булавский // Транспорт Российской Федерации. - 2011. - № 1. - С. 60-63.

2. Синтез формализованной схемы электронного документооборота систем железнодорожной автоматики и телемеханики / П. Е. Булавский, Д. С. Марков // Известия ПГУПС. - 2013. - № 2. - С. 108-115.

3. Синтез управляющих автоматов / В. Г. Лазарев, Е. И. Пийль. - Москва : Энергия, 1978. - 408 с.

4. Иерархическая многоматричная формализация имитационной модели электронного документооборота технической документации / П. Е. Булавский, Д. С. Марков // Актуальные вопросы развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. трудов ; ред. Вл. В. Сапожников. - Санкт-Петербург : ПГУПС, 2013. - С. 52-59.

5. Матричный метод формализации имитационных моделей сложных систем массового обслуживания / П. Е. Булавский, Д. С. Марков // Известия ПГУПС. - 2010. - № 4. -С.186-195.

6. Динамические вероятностные нагруженные графы. Определения, свойства, области применения / Г. С. Орлов // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. - 2010. - № 1 (Вып. 31). - С. 48-57.

7. Оценка качества технической документации на системы ЖАТ / П. Е. Булавский // Автоматика, связь, информатика. - 2011. - № 8. - С. 37-39.

© Булавский П. Е., Марков Д. С., 2014

56