CC BY
31
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА Серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК 681.518:001.8
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИНТЕГРАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ АВИАПРЕДПРИЯТИЙ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
В.В. ЖИЛИНСКИЙ
Статья представлена профессором, доктором физико-математических наук Козловым А.И.
Рассматриваются методологические основы построения интегрированных систем с непрерывной адаптацией модели объекта и с согласованием целей и параметров системы.
Изменение принципов и трансформация структуры управления гражданской авиации в РФ, со времён действия МГА СССР до сегодняшнего времени, не упростили жизнь и работу архитекторов и разработчиков систем управления и информационных систем. Смешанная собственность авиапредприятий, тенденции к объединению авиакомпаний в альянсы под единым брендом, как, например, AirUnion [1], незаконченное разделение аэропортов и авиакомпаний, а в некоторых случаях и сознательные попытки создания холдингов с разнородными предприятиями [2], территориальная рассредоточенность авиабаз одной компании и слияние авиакомпаний с уже существующим, исторически сложившимся ГГ-оснащением, делает ещё более актуальным решение проблемы информационной интеграции. Ни у кого нет сомнений, что реальная, оперативная и сопоставимая управленческая информация является фундаментом современного менеджмента. Однако потери от несогласованности процессов и несопоставимости информации настолько велики, что часто их трудно оценить до момента видимой потери управляемости компанией. Поэтому задача интеграции информационной системы должна ставиться с концептуального уровня проекта и как органический элемент системы управления компании, развиваться вместе с компанией постоянно, а не по прецедентам сбоев в работе. Особенно это важно для контура оперативного управления авиапредприятием, на примере которого ниже рассматриваются методы информационной интеграции. Иначе может произойти непоправимая ситуация, когда на систему затрачены большие средства, а несогласованность информации, неоптимальность функционирования системы в связи со слабой интеграцией решений видны не сразу, а, как правило, после сдачи системы заказчику, т.е. когда уже некому предъявить претензии и заказчик вступает в „противоборство" один на один с системой. Если это небольшая система, её просто забудут, а деньги будут потрачены зря. Заказчик в этом случае долго не будет верить в необходимость информационных технологий. Если большая, -будет стремиться исправить ошибки путем всё большего и большего вложения средств.
Постановка задачи
Вводится тройка вида
<Х, У, 1> , (1)
где X = (Х1, Х2, ... , Хт) - описывает входную,
У = (У1, У2, ... , Уп) - выходную информацию объекта управления;
I = (II, 12,... 1к) - цели управления.
Одновременно с (1) рассмотрим модель объекта, задаваемую в виде соответствующей связи между X и У.
Модель интегрированной информационной системы (ИИС) оперативного управления авиапредприятием можно описать в следующем виде:
У = А (X, И), (2)
где и = (И1, и2, ..., иг) - управление, А - оператор модели объекта с соответствующими областями значений и определения в заданных пространствах X , У , имея в виду, что в (2) не указана зависимость оператора и соответствующих функций от времени (непрерывного X или дискретного пТ, п=1,2...).
Таким образом, получим:
<Х, А (X, И), 1>. (3)
Из выражения (3) следует, что достижение заданных целей (I) возможно только при изменении выходной информации объекта {У}, что достигается выбором {И}. Следовательно, задача управления состоит в нахождении такого И, чтобы выход объекта управления У, с учетом входной информации X, соответствовал заданным целям {I}. Тем не менее, можно видеть, что изменять У произвольно мы не можем из-за условий безопасности, конечности ресурсов, времени и т.п. Следовательно, задача состоит в нахождении, по наличной оперативной информации {X, У}, единственно приемлемого И, удовлетворяющего некоторому условию и соответствующим ограничениям.
Эти особенности позволяют сформулировать некоторые условия. Запишем их в каноническом виде:
J:
(4)
H (X, Y )> 0;
< G (X, Y ) = 0;
Q(X, Y)® min,
где H и G - соответственно функции ограничений типа неравенств и равенств, а Q - функция качества.
Следовательно, получим экстремальную задачу вида
Q(X, Y)® min . (5)
UeQ
Причем область допустимых О задается следующим образом:
'Н (X, У )> 0;
О: \о(Х, У ) = 0;
У = А( X, и).
С учетом (2) задачу (5) можно конкретизировать. В результате окончательно получим:
Q( X, A( X ,U))®
min,
(6)
где
Q:
\ X, A(X,U) = 0, \И(X,A(X,U)) > 0.
В общем виде решение задачи будет выглядеть: И = ф (X, У), где ф - алгоритм нахождения И по оперативной информации.
Последняя запись позволяет выделить роль модели А объекта управления. Особенности задач оперативного управления требуют рассмотрения особого случая, когда модель А задана с
точностью до параметров W , т.е. это случай, когда вид оператора модели А известен, но неизвестны параметры модели W от оперативной информации {X, У}. Таким образом, возникает ситуация, когда по мере поступления {X, У} приходится сначала находить неизвестные параметры W, а потом решать экстремальную задачу (6). Запишем (6) в виде
0(X, А(X,и,Ж)) ® тіп , (7)
Г X,А(X,и,Ж) = 0,
где О: <
ІН(X, А(X,и,Ж)) > 0.
Следует отметить, что оператор модели А в общем случае задан приближенно, а {Х,У} измеряются и передаются с погрешностями, так что параметры модели W находятся приближенно, особенно если учесть погрешности из-за конечной точности вычислений. Это оказывает заметное влияние на процесс нахождения ОУ из условия (7).
Основные требования к оперативной информации (ОИ)
Как следует из (1), {и} может быть реализовано только на основе оперативной информации о состоянии входов (неуправляемых X, т.е. характеристики среды, управляемых и) и выходов соответствующего объекта управления.
Во-первых, ОИ определяет структуру и сложность создаваемой системы управления, являясь основным системообразующим средством.
Во-вторых, ОИ характеризует степень определенности модели объекта управления и здесь, чем больше объем априорной информации, тем проще сама система управления.
Таким образом, сталкиваясь в авиапредприятиях с неавтономными объектами, с избыточностью/недостаточностью ОИ, мы здесь говорим о выделении объекта управления (ОУ). Пусть У; (/ = 1, т) точки сбора ОИ, требуемой для оценки возможности реализации заданных целей {I} ОУ. Тогда мы должны стремиться к тому, чтобы эти точки использовались в любом варианте объекта. Но кроме управляемых входов, имеются и неуправляемые, например, Х0 = (Х01, Х02, ..., Х0к). Тогда уравнение модели (2) следует записать в виде:
У = А (X, и, Х), (8)
где Х0, X - соответственно неконтролируемые и контролируемые входы объекта, а
и - управляемые входы.
Мы имеем дело с информацией различного рода: а) оперативной информацией о входах/выходах объекта управления (о среде); б) информацией об управляющих воздействиях на объект управления и. Группа информации а) накапливается системой сбора, группа б) - создается самими органами управления, и обе формируются в Единой ИС (ЕИС), с которой после соответствующей обработки передается лицу, принимающему решение.
Следует, что в ЕИС - головной компоненте системы оперативного управления должна быть реализована интеграция процессов сбора, обработки данных с процессом принятия решений и обеспечить сопоставимость данных.
Управляемость объекта
Вероятность достижения заданных целей управления в различных ситуациях будем называть управляемостью объекта (обозначим - Р). Связь Р с существующей ОИ очевидна. Формализуем понятие ситуации, как тройку
Б = <Х, Х>, (9)
Следовательно, ситуация задается контролируемыми входами X и целями I, и создается ОУ, т.е. и, и может быть управляемой и неуправляемой Б. Отсюда выводится выражение
I = {Б} . (10)
Вероятность достижения цели можно обозначить некоторым числом р, зависящим от Б. Тогда очевидно, что
N
Iр( Ъ,) = 1,
,=1
Р = Г р(Ъ №,
_ Т }
Р = 1 - Г р(Ъ№,
1
Следует обратить внимание, что
Б = <Х, А (X, и), 1> .
Это значит, что возникающие в процессе ОУ ситуации зависят от структуры модели объекта управления и степени ее определенности. Следовательно, от этих же факторов зависит и управляемость объекта Р, что позволяет поставить вопрос: „Как синтезировать модель, чтобы добиться наибольшей степени управляемости объекта, т.е. наилучшего достижения поставленных целей {I}? “
Идентификация параметров модели
В рассматриваемых задачах мы сталкиваемся с моделями объектов управления, заданными с точностью до параметров
W = ^1, ...^к) (11)
То есть определенно известна структура оператора модели А, но неизвестны параметры модели Wi, (г = 1, к ). Для определения же выхода У при заданных X и И необходимо знать и параметры (11). Поэтому в процессе идентификации именно параметры (11) и подлежат определению.
Можно написать общий алгоритм идентификации
Ж = *¥(£, I),
(12)
где є - структура модели;
I = (X Уі);
і - номер момента времени снятия ОИ, т.е. Xi = X (1^), Уі = У (1^);
У - алгоритм вычисления W по информации I.
Таким образом, суть идентификации определяется видом алгоритма ¥. Эти алгоритмы могут быть адаптивными и ретроспективными.
Для постановки задачи идентификации рассмотрим функцию невязки вида
Уі(Ж) = I [А( X, ;Ж) - У,
(13)
и потребуем ее минимума по W.
В общем случае решается двухкритериальная задача. Обозначим функцию качества
У = А(и ,Ж) (14)
через У1 и совместно с ней рассмотрим У2 вида
2
V2(W) = £ [a(U„W)-У,]-. (15)
i=0
При прочих условиях задача совместной минимизации записывается в виде
V1(W) ® min,
WeEw
V2(w) ® min,
WeEw
где EW - область допустимых {W }.
Разработка алгоритмов ¥ решения задач идентификации требует применения специальных методов, предоставляющих возможность нахождения {W} с точностью исходных данных {I}.
Автономность задачи идентификации
Задачу идентификации можно решить автономно от задачи ОУ. Чтобы убедиться в этом, рассматривали модель (14), заданную с точностью до параметрической неопределенности {W} [3]. Критерий качества функционирования (6) системы оперативного управления использовали в виде
О = о(х,и, г (Ж)). (16)
Тогда стратегию ОУ и е Q строим так, чтобы:
' (17)
<є
Q(U) - Q
где Q - точное значение Q; Q* = minQ; Q = Q(ß) - приближенное значение Q.
UeQ
При выполнении ряда условий решение задачи адаптивного ОУ по критерию (16) достигается посредством независимого решения:
а) задачи идентификации объекта управления в форме:
||A(W)U - У\\ <s ;
б) приближенного решения задачи выбора ОУ
Q - Q *|<е + 2є(&)
или, если 80 = 0 - экстремальной задачи (16), т.е. когда Q ® min .
Регуляризация задачи идентификации параметров модели
Задача идентификации относится к классу некорректных задач, являющихся неустойчивыми к малым изменениям исходных данных и конечной точности вычислений. В решении нашей задачи рекомендован метод регуляризации по функционалу (метод стабилизирующего функционала), предложенный А.Н. Тихоновым.
Следующим этапом представляются алгоритмы оперативного управления с идентификацией параметров модели
Алгоритм представляется шестью шагами:
Шаг 1. Вычисляются производные от V и д по W в точках к-1, т.е.
УЖ(Жк_,); чЖ(Жк-1), (к = 1,2,...).
Шаг 2. Формируются аппроксимирующие задачи линейного программирования
Г /;= minK (W), 4l (W) £ 0},
W
< / = V (Wk+1) + V3; W-1 )(W - Wk_1); (18)
q(W) = q(Wk+1) + qw (Wk-1 )(W - Wt-1); q (W) = q(Wk+1) + qw (Wk-1 )(W - W^)
Шаг 3. Решение задачи линейного программирования (18), т.е. нахождение Wk.
Шаг 4. Определение достигнутой точности решения. т.е. нахождение
z + Z + 2(1 + Wk Zk, * = max{ },
где Zk, Zq- определяет точность решения аппроксимирующей задачи (18).
Шаг 5. Поверка условий достижения заданной точности Z0 £ D. Если Z0 £ D, то перейти к шагу 6, если нет — к шагу 1.
Шаг 6. Выход из алгоритма.
В заключение, на основании использования вкратце приведенных моделей можно сделать выводы не только о необходимости интеграции информационных систем, но и о непреклонном требовании создания единой модели будущей компьютеризированной системы управления еще на начальном (концептуальном) уровне проектирования, даже если внедрения планируются поэтапно мелкими шагами. Это требует единой координации работ и проектного стиля управления развитием системы. Также исследования приводят к мысли о разделении системы на уровни с выделением интегрирующей информационной подсистемы.
Несомненно, работа по исследованию методологии должна быть продолжена. Также планируется обобщение работ с опубликованием результатов по мере их подготовки и развития.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бендина H. AirUnion оценил прибыль. RBC daily / Ежедневная аналитическая газета. 09.12.2005.
2. Южный холдинг // Авиационное обозрение, 2005, № 58.
3. Курило В.М., Жилинский В.В., Жданов В.П. Гражданская авиация: смена модели управления. -М.: Воздушный транспорт. 1991.
METHODOLOGICAL ASPECTS TO INTEGRATION OF THE INFORMATION SYSTEMS OF THE
CIVIL AVIATION
Zhilinsky V.V.
Here are considered: the methodological base of development of the integrated systems with continuous adaptation of an object model and with coordination of the purposes.
Сведения об авторе
Жилинский Вячеслав Владимирович, 1946 г.р., окончил РКИИГА (1970), академик Академии транспорта РФ, кандидат технических наук, доктор инженерных наук ЕС (Латвия), профессор Балтийского Русского Института (Рига, Латвия), автор более 120 научных работ, область научных интересов - управление большими проектами, информационные системы в различных сферах приложений.
