CC BY
51
the Operational Research Society, Special Issue on Problem Structuring Methods. -2006. -57. -P. 792-801.
6. Михалевич, В.С. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем [Текст] / В.С. Михалевич, В.Л. Волкович. -М.: Наука, 1982.
7. Цвиркун, А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем [Текст] / А.Д. Цвиркун. -М.: Наука, 1982.
8. Анкудинов, Г.И. Об одном общем подходе к синтезу структуры алгоритмов, устройств и систем [Текст] / Г.И. Анкудинов // Кибернетика. -Киев, 1982. -№ 1. -С. 55-68.
9. Анкудинов, Г.И. Символьно-численные методы в задачах дискретного программирования с логически-
ми ограничениями [Текст] / Г.И. Анкудинов // Кибернетика. -Киев, 1989. -№ 3. -С. 51-55.
10. Анкудинов, Г.И. Синтез структуры сложных объектов [Текст] / Г.И. Анкудинов. -Л.: ЛГУ, 1986.
11. Грундспенькис, Я.А. Комплекс алгоритмов синтеза и сравнения структур с нечетко описанными элементами [Текст] / Я.А. Грундспенькис, Я.К. Тентерис // Принятие решений в условиях нестатистической неопределенности. -Рига: Риж. политехн. ин-т, 1982. -С. 35-43.
12. Анкудинов, И.Г. Автоматизация структурного синтеза и принятия решений в управлении и проектировании [Текст] / И.Г. Анкудинов. -СПб.: Изд-во По-литехн. ун-та, 2008.
УДК 004.896
К.А. Аксёнов, Ван Кай, А.С. Антонова, О.П. Аксёнова, А.А. Липодаева РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМы ПОДДЕРЖКИ ПРИНЛТИЛ
решений в управлении строительным холдингом
Строительная отрасль - динамично развивающаяся область, требующая применения новых технических решений. Первые лица строительных компаний и холдингов, а также лица, принимающие решения (ЛПР), сталкиваются в процессе принятия решений в сфере управления с многокритериальным выбором между различными альтернативами по обеспечению выполнения в срок всех этапов строительных работ. Эффективное планирование строительных работ - залог достижения заданных показателей продолжительности строительства и стоимости возводимых объектов. Динамичный характер строительного производства и окружающей среды, риски возникновения непредвиденных ситуаций требуют от ЛПР быстрого реагирования и гибкой корректировки разработанных планов. Разработка системы поддержки принятия решений (СППР) в сфере управления строительной компанией (холдингом) актуальна в связи с возрастающей потребностью в автоматизации труда ЛПР по планированию и отслеживанию хода строительных работ.
Технология гибридных агентов мультиагентных процессов преобразования ресурсов
В процессах принятия решений и управле-
ния строительством используются проблемно-ориентированные системы сетевого планирования (такие, как MS Project и TimeLine), также на практике встречается применение систем имитационного моделирования (СИМ), в которых модель настраивается под конкретные нужды или существуют готовые шаблоны формализации проблемной области (ARIS с модулем eM-Plant, Arena, AnyLogic, BPsim). Автоматизация процесса принятия решений в управлении строительством на основе ситуационных моделей сетевого планирования описана в [1].
Задача управления строительными работами подразумевает выполнение двух подзадач: 1) планирование сроков работ с распределением ресурсов (трудовых собственных и субподрядных, материально-технических собственных и арендованных, денежных собственных и инвестированных) по отдельным работам; 2) отслеживание в процессе выполнения работ изменений внешней и внутренней среды, оперативную корректировку плана работ с целью достижения их эффективного исполнения с учетом временных, финансовых и ресурсных ограничений.
Решение выделенных задач можно рассматривать под разными углами. Традиционно ЛПР используют при планировании работ метод PERT
(Project Evaluation and Review Technique) - технику оценки и анализа проектов. В рамках данного метода ЛПР осуществляет с помощью специализированных инструментов (например, MS Project, TimeLine) построение диаграмм взаимосвязи событий и работ, характеризуемых длительностью, стоимостью и необходимыми ресурсами. Примерами подобных диаграмм служат сетевые графики и диаграммы Ганта. На основе метода критического пути с помощью сетевых графиков ЛПР выделяют «узкие места» в планировании строительных работ и осуществляют генерацию альтернативных вариантов смещения работ с целью устранения «узких мест», таких, как перегрузка собственных ресурсов, превышение лимита стоимости отдельных работ, в т. ч. вследствие использования большого объема субподряда. В дальнейшем полученные варианты планирования реализуются в ряд сетевых диаграмм взаимосвязи работ и событий, анализируя которые ЛПР выделяют наиболее эффективное решение с учетом существующих ограничений.
Недостаток подобного подхода к планированию строительных работ - частичная автоматизация труда ЛПР по построению сетевых графиков/ диаграмм Ганта и выявлению «узких мест» в планировании, в то время как существенный объем работ по генерации альтернативных вариантов планирования и выбору наиболее эффективного варианта осуществляется ЛПР вручную на основании квалификации, опыта и применяемых эвристик учета различных факторов среды. В связи с этим рассмотрим другой подход к решению задачи управления строительными работами: использование имитационного мультиагентного моделирования.
Формализуем процессы управления строительными работами с помощью модели муль-тиагентных процессов преобразования ресурсов (МППР) [2], которая позволяет в динамике оценить показатели выполнения и стоимости процессов (время выполнения, наличие дублирующих функций, стоимость процесса, затраты на заработную плату сотрудников и т. д.), а также оценить показатели эффективности процессов (рентабельность, отношение времени исполнения ко времени ожидания, отношение фактического времени исполнения к плановому времени). Применение мультиагентного моделирования обеспечивает с помощью базы знаний агентов формализацию модели ЛПР и накопленных сценариев решения
задач в области управления строительными работами. Преимущества модели МППР и реализующей данную модель системы динамического моделирования ситуаций (СДМС) BPsim.MAS по сравнению с упомянутыми ранее СИМ заключаются в проблемной ориентации модели на процессы преобразования ресурсов, использовании в модели агентного подхода, ориентации системы на непрограммирующего пользователя (ЛПР).
На основе архитектуры гибридного агента МППР можно создавать следующие виды агентов, для решения различных прикладных задач:
реактивные агенты, поведение которых определяется реактивной подсистемой и описывается только диаграммой деятельности (конечным автоматом). Данный вид агентов используется для задач динамического моделирования МППР;
реактивно-интеллектуальные агенты, поведение которых определяется реактивной подсистемой и описывается только продукционной базой знаний (тактической). Данный вид агентов используется для задач динамического моделирования МППР, описания моделей ЛПР, управляющих процессами;
интеллектуальные агенты, поведение и логика работы которых определяется только планирующей подсистемой, а знания хранятся в фреймовой базе знаний (стратегической). Данный вид агентов используется для построения проблемно-ориентированных интеллектуальных систем на основе аппарата фреймовых экспертных систем (задачи диагностики, проектирования, построения советующих ЭС и систем технико-экономического проектирования);
гибридные агенты, полностью реализующие функциональность архитектуры гибридного агента МППР. Данный вид агентов используется для построения сложных, интеллектуальных систем управления и планирования, контур которых состоит из двух элементов: динамической модели процесса управления и блока (модуля), реализующего поиск решения многопараметрической задачи и выработки (генерации) управляющего воздействия на модель процесса управления.
Применение технологии гибридных агентов МППР для формализации процессов управления строительными работами позволяет автоматизировать функции ЛПР по генерации альтернативных вариантов решения различных задач: поиску инвесторов и поставщиков материалов, выбору субподрядных организаций, обнаружению и ликвида-
Рис. 1. Контур управления строительными работами
ции «узких мест» в планировании. Использование технологии гибридного агента предполагает описание предметной области с помощью различных по функциональности программных продуктов, интегрированных в единую систему поддержки принятия решений: СДМС ВР8т.МЛ8 и системы технико-экономического проектирования (ТЭП) ВР8т.М88 [3]. Система ТЭП ВР8т.М88 реализует технологию интеллектуальных агентов (ИА), обеспечивающую пользователя инструментом разработки проблемно-ориентированных интеллектуальных систем. Технология ИА позволяет автоматизировать труд ЛПР по решению задач анализа и синтеза организационно-технических систем, таких, как реинжиниринг бизнес-процессов [4], управление проектами, управление строительными работами.
На рис. 1 представлен контур управления строительными работами на основе технологии гибридных и интеллектуальных агентов МПРР.
За основу динамической модели процессов проектирования и строительства, реализованной в ВР8т.МЛ8, взята модель МППР, обеспечивающая поддержку планирования работ и оценки различных проектов самостоятельной застройки. Модель поиска решений, реализованная в ВР8т.М88, лежит в основе поиска эффективных решений многокритериальных задач управления строи-
тельными работами: управления текущими процессами строительства и проектирования, принятия решений об участии в тендере на строительство. В результате интеграции предложенных моделей достигается комплексная автоматизация труда ЛПР по управлению строительным холдингом.
Разработка моделей строительного холдинга Wan Bao
В ходе обследования предметной области были выявлены следующие этапы управления строительными работами: формирование бизнес-плана, отражающего предполагаемые экономические показатели деятельности холдинга при определенных начальных условиях, получение кредита на строительство, участие в тендере на строительство, планирование проектных и строительных работ, проведение проектных и строительных работ, осуществление продажи/сдачи в аренду площадей возведенных объектов.
В инструменте BPsim.MSS описаны основные классы, отражающие содержание баз данных холдинга по поставщикам материалов, характеристикам земельных участков, субподрядным организациям, структуре холдинга, кредитным организациям и т. д. На основании разработанной диаграммы классов был спроектирован ИА
III II II II
□ □□ □□ □□ □□ Рис. 2. Диаграмма поиска решений ИА бизнес-планирования строительных работ
бизнес-планирования, обеспечивающий в автоматизированном режиме генерацию альтернативных вариантов бизнес-планов строительных работ. ЛПР осуществляет оценку предложенных планов и выбор более выгодного плана с экономической точки зрения. На рис. 2 представлена диаграмма поиска решений ИА бизнес-планирования.
Начальные условия выбранного бизнес-плана подаются на вход разработанной в BPsim.MAS имитационной модели МППР проектных и строительных работ. Модель предназначена для оценки влияния управляющих решений на динамические характеристики процессов проектирования и строительства холдинга Wan Bao. К данным характеристикам относятся: фактическая стоимость процессов, перераспределение ресурсов (денежных, материальных и трудовых) между процессами, простои в работах, перегрузки отдельных
процессов, выявленные процессы, требующие подключения субподрядных ресурсов, фактические суммарные объемы рабочей силы и материалов, фактическая длительность процессов. Оценку характеристик среды осуществляют в модели интеллектуально-реактивные агенты.
Рассмотрим описание базы знаний (БЗ) следующих агентов: агента операций AOp, отвечающего за выявление в модели операций, требующих подключение субподряда; агента распределения АР, реализующего захват заявки на выполнение операции и распределение ресурсов холдинга Яхолд и субподрядных ресурсов в процессе выполнения операции Op. Описанные атрибуты заявки z на выполнение операций представлены в табл. 1.
В ходе разработки БЗ агентов были использованы следующие операторы работы с заявками: Select(z,Node) - заявка z захвачена узлом Node;
Таблица 1
Определение атрибутов заявки г на выполнение операции Ор
Обозначение Описание
z_p Требуемые трудозатраты на выполнение операции Ор
z s Трудозатраты по операции Ор, отнесенные на субподряд
z time Оставшееся время выполнения операции Ор
z_pr Признак привлечения субподряда для выполнения операции Ор: 0 - не привлекаем субподряд; 1 - привлекаем субподряд
z owner Узел-владелец заявки г (агент АОр или АР, операция Ор, следующий узел модели '№ех{Иойе)
z d День начала операции Ор
z m Месяц начала операции Ор
Таблица 2
БЗ агентов операции и распределения и описание узла-операции
База знаний агента операции АОр
Описание ситуации Условие IF Условие THEN
Субподряд для выполнения операции не требуется, достаточно своих ресурсов Select(z,AOp) Rхолд:= Rхолд-z_p
(iRes43=z d)&(iRes44=z m) z_pr:=0
х_р<Ехолд z owner:=«Op»
Субподряд для выполнения операции требуется, недостаточно своих ресурсов Select(z,AOp) z s:=z_p - Rхолд
(iRes43=z d)&(iRes44=z m) Rхолд:=0
z_p>Rхолд z_pr:=1
z owner:=«Op»
Условия запуска и ресурсы на выходе операции Ор
Длительность Условия запуска Ресурсы на выходе
z time 8в1вс((г,Ор) Rхолд:=Rхолд+z_p
z_pr=0 z owner:=«NextNode»
База знаний агента распределения АР
Описание ситуации Условие IF Условие THEN
Захват агентом АР заявки с требованием субподряда при условии незанятости агента Select(zAP)<>I z owner:=«AP»
Select(z,Op)
z _pr=l
Время выполнения операции закончилось Select(z,AP) Rхолд:= Rхолд+z_p - zs
z time=0 z owner:= «NextNode»
Время выполнения операции не закончилось и субподряд уже не требуется Select(z,AP) z_pr:=0
z time>0 Rхолд:= Rхолд-z s
Romd >zs z owner:=«Op»
Время выполнения операции не закончилось и субподряд еще требуется Select(z,AP) z time:= z time-1
z time>0
Яхолд< z s
Select(z,Node)<>1 - заявка z не захвачена узлом Node. Также при описании БЗ были использованы переменные, сопоставляющие время имитации и календарное время: iRes43 - текущий день, iRes44 - текущий месяц. Описание БЗ агентов а)
АОр и АР и операции Ор приведено в табл. 2.
На рис. 3 а представлена структура модели МППР процессов строительных работ в BPsim.MAS, на рис. 3 б - декомпозиция узла «Строительство здания».
б)
Рис. 3. Вид имитационной модели процессов строительных работ в ВР81ш.МЛ8: а - Структура имитационной модели процессов строительных работ; б - Декомпозиция узла модели
«Строительство здания»
Оптимизация разработанной имитационной модели МППР
В ходе проведения экспериментов с имитационной моделью строительного холдинга Wan Bao было установлено, что предложенная в модели детализация строительных работ (более 120 операций, порядка 90 ресурсов) влечет за собой увеличение объема требуемых для проведения эксперимента вычислительных ресурсов и машинного времени. Кроме того, при моделировании строительства двух и более объектов возникают перегрузки отдельных цепочек операций, что ведет к увеличению очередей заявок и простою дальнейших работ. Для устранения подобных проблем проведена оптимизация модели МППР с помощью ИА анализа и синтеза и применения процедур свертки и реинжиниринга [4-5].
Применение интеллектуального агента анализа и синтеза [4] обеспечило проведение анализа загрузок цепочек операций и построение параллельных веток операций к цепочкам, загрузка которых превышает допустимую (возникают очереди). Реинжиниринг операций позволил снять их перегрузку и сократить общее время выполнения. Применение процедур свертки [5] привело к сокращению времени эксперимента и уменьшило ресурсоемкость имитационной модели. Свертки представляют собой процедуры структурного и/ или параметрического синтеза, направленного на элементы модели МППР, такие, как операции и базы знаний агентов. Статистика, по правилам свертки, примененным к модели строительного холдинга, представлена в табл. 3.
В результате проведенной оптимизации время эксперимента при моделировании строительства одиннадцати объектов сократилось на 46 % к шестому году моделирования.
Проведение эксперимента с моделью строительного холдинга Wan Bao
Имитационный эксперимент с моделью строительного холдинга проводился со следующими начальными условиями и упрощениями: осуществление строительства одиннадцати объектов с последующей продажей возведенных площадей; осуществление строительства целиком на деньги кредитных организаций с учетом выплаты беспроцентного кредита; наличие в собственности пригодного для строительства земельного участка; наличие на складе всех необходимых для строительства материалов; расчет прибыли без учета налогов.
Оценим в динамике следующие выходные характеристики модели: текущие расходы на выплату кредита и заработную плату рабочим fRes93; доход от продаж возведенных площадей fRes96; остаток на счете fRes1=fRes96-fRes93, подразумевающий прибыль без учета налогов, процентов по кредиту, стоимости земельного участка и материалов.
Результаты экспериментов, проведенных с моделью МППР, сохраняются в MS Project и MS Excel (рис. 4).
Согласно проведенному эксперименту, тенденции роста остатка денежных средств на счете связаны с окончанием строительства отдельных объектов и с существенным увеличением объемов продаваемых площадей. Расходы проекта на конец имитационного эксперимента достигли значения 3,4-109 юаней. Сумма средств на счете ко времени окончания моделирования достигла значения 6,76-109 юаней.
Данные эксперимента согласуются со статистическими данными работы строительного холдинга Wan Bao на протяжении пяти лет (с июня 2005 по август 2010 г.). Следовательно, можно сде-
Таблица 3
Статистика применения правил свертки и реинжиниринга к имитационной модели холдинга Wan Bao
Наименование правила свертки Количество изменений
Две и более параллельные операции Свернуто 9 операций
Две и более последовательные операции Свернуто 2 операции
Служебная (неиспользуемая) операция Свернуто 3 операции
Независимое средство Удалено 2 средства
Добавление параллельных операций Добавлено 4 операции
t, дни
Рис. 4. Диаграмма денежных потоков в MS Excel (--------) доход от продаж fRes96; (-) текущие расходы fRes93; (-) остаток на счете fRes1
лать вывод об адекватности разработанной имитационной модели МППР объекту управления.
Применение СППР на основе технологии гибридных агентов МППР в управлении строительным холдингом обеспечивает автоматизированное решение ЛПР следующих задач анализа и синтеза сложных организационно-технических систем: формирование бизнес-плана работ с помощью разработанного в ВР81ш.М8Б ИА бизнес-планирования; планирование проектных и строи-
тельных работ на основании оценки динамических характеристик процессов при проведении экспериментов с разработанной имитационной моделью в ВР81ш.МАБ, включая оценку объема субподрядных работ. Интеграция технологий диалоговых экспертных систем и имитационного мультиагент-ного моделирования обеспечивает непрерывную комплексную поддержку принятия решений в сфере управления строительным холдингом.
Работа выполнена в рамках госконтракта 02.740.11.0512.
список литературы
1. Старцев, М.А. Интегрированная информационная система для автоматизированного управления процессом капитального строительства на промышленном предприятии на основе иерархических ситуационных моделей сетевого планирования: Дис. ... канд. техн. наук [Текст] / М.А. Старцев. -Уфа: Изд-во Уфим. гос. авиац. техн. ун-та, 1999. -16 с.
2. Аксёнов, К.А. Динамическое моделирование мультиагентных процессов преобразования ресурсов [Текст] / К.А. Аксёнов, Н.В. Гончарова. -Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. -311 с.
3. Аксёнов К.А. Разработка и применение объектно-ориентированной системы моделирования и принятия решений для мультиагентных процессов преобразования ресурсов [Текст] / К.А. Аксёнов, И.И. Шолина, Е.М.
Сафрыгина // Научно-технические ведомости СПбГПУ Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2009. -№80. -С. 87-97.
4. Аксёнов, К.А. Анализ и синтез процессов преобразования ресурсов на основе имитационного моделирования и интеллектуальных агентов [Текст] / К.А. Аксёнов, А.С. Антонова, И.А. Спицина // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2011. -№ 1 (115). -С. 13-19.
5. Аксёнов, К.А. Задача свертки имитационной модели мультиагентного процесса преобразования ресурсов [Текст] / К.А. Аксёнов, Ван Кай // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2011. -№ 1 (115). -С. 126-132.
