Синтез экспертных систем управления социально-техническими системами Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 65

A.B. Затонский

СИНТЕЗ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ СОЦИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Социально-техническими системами (СТС) будем называть [1] сложные производственные, технические, управленческие и общественные системы, которые включают:

• технические средства (технологическое оборудование, аппаратура, компьютеры, коммуникации);

• программные средства (ПС: операционные системы, приложения, программные средства информационных систем, программно реализованные наборы правил и организационных процедур);

• физическое окружение (здания, сооружения), среда или дизайн которых может влиять на используемые в системе технологические приемы;

• людей (отдельные работники, группы, роли и соглашения, причем возможны смена роли работника или разные роли в разных условиях);

• правила, часть из которых

может быть не записана, но понимается всеми участниками системы

(официальные и неофициальные процедуры, модели управления, порядок отчетности, требования к документам, нормы, описывающие деятельность системы и организацию работ);

• законы и правила, внешние по отношению к системе (государственные, общечеловеческие, разумные ожидания внешних по отношению к системе людей и т.п.);

• данные и структуры данных (правила сбора, правила хранения,

правила доступности, форматы и преобразования форматов, правила преобразования данных).

Для СТС, как правило, определены их гиперцели, или миссии [2].Роль миссии СТС состоит в том, что она устанавливает связку, ориентирует в едином направлении интересы и ожидания тех людей, которые воспринимают организацию изнутри, и тех, кто воспринимает организацию извне. Более того, миссия позволяет сориентировать или же даже подчинить интересы «внутренних» по отношению к организации людей ее «внешним» целям. Определяя то, для чего создана и существует система, миссия придает действиям ее активных элементов осмысленность и целенаправленность, позволяя им лучше осознавать не только что они должны делать, но и для чего они осуществляют свои действия. Таким образом, наличие миссии является важным отличием СТС от чисто технических систем.

Другими отличиями СТС являются:

— непременная эволюция свойств во времени, причем изменяются:

о элементы;

о топология (связи);

о роли;

о процедурные средства (правила);

о внешнее окружение.

— наличие ненаблюдаемой эволюции свойств, которые ведут к скач-

кообразным изменениям наблюдаемых параметров (гистерезисных элементов);

• наличие активных элементов (в т.ч. экспертов), которые руководствуются трудно формализуемой логикой и влияют на:

о принятие решений о формировании управления;

о формирование управления;

о осуществление исполнительных воздействий;

• экспертная компонента мала в смысле объема выполняемых работ, но радикально повышает эффективность управления СТС в целом;

• многовариантность, огромное количество наблюдаемых и особенно настроечных параметров;

• дискретный или разрывный характер части свойств, что определяет возможность только позиционного (многопозиционного) регулирования;

• наличие высокоинерционных элементов, значения параметров которых продолжают меняться после снятия управляющего воздействия;

• наличие элементов с самовы-равниванием (насыщением), являющимся неотъемлемым свойством человеческих возможностей и психики;

• малая устойчивость, то есть возможность возникновения существенных реакций на малые возмущения (вследствие наличия гистерезисных элементов).

Рассмотрим задачу определения состояния и управления социально-техническими системами (СТС).

В общем случае, СТС включает объект, действия которого ведут к выполнению миссии СТС, и управляющую (регулирующую) подсистему (см. рисунок).

Здесь х - входное воздействие (материальное или информационное, в том числе правила и исключения из правил), у - результат действия СТС, в той или иной степени отвечающий ее миссии, V - возмущающие воздействия (в некоторых случаях наблюдаемые, но никогда не управляемые), 5 - миссия СТС, t -вектор параметров состояния СТС, /

- функция выхода СТС, ф - функция перехода СТС, С - функция выработки регулирующего воздействия (функция выхода) подсистемы

управления (ПУ) СТС, ^ - функция переходов ПУ СТС, ш - вектор параметров состояния ПУ СТС.

Элементы социально-технических систем (СТС) могут описываться различными абстрактными звеньями: интегрирующими, дифференцирующими, апериодическими, позиционными, запаздывания и т.п., а также их комбинациями.

Для любого параметра р е (х, у, ^, V, э, w} справедливы утверждения:

V

к у = / (х - 2 ) ґ = ф(х - гу,1) у

>9 * к

г = д( у^,м>) ^ = у( у^;м)

Обобщенная схема СТС

1- p = pu U p

d

где

p

d

- не-

- дис-

частичных случаях включающего так-

- де-

- па-

xr : xr < xr

метров

I d

pi: \ps

pS

>pS!

же

прерывный параметр, кретный параметр;

2- p = pd U ps , где pd

терминированный параметр, стохастический параметр;

3- p = p|p U p\a , где p|p

раметр, определяемый свойствами пассивных элементов СТС, p|a -

параметр, определяемый свойствами активных элементов (имеющих собственные выраженные миссии и внутренние средства их выполнения).

Целью ПУ является управление СТС для достижения ее миссии y ^ s - Критерием оптимальности ПУ - величина части входных воздействий х, относящихся к потребляемым СТС ограниченным ресурсам max

, включая время достижения системой целей, определяемых миссией, т < Tmax - Таким образом, задачей оптимального управления является z : y ^ S „ max , Где

1pr < pr

p r - ресурсный (в смысле необратимого преобразования в СТС) параметр-

Отметим, что СТС относятся к классу плохо определяемых (описываемых) систем. Так, формулировки миссии, правил и исключений могут содержать (и более того, обычно содержат) расплывчатые и противоречивые формулировки- Попытка формализации или алгоритмизации правил функционирования элементов и даже топологии СТС в пределах подмножества пара-

наталкивается на трудности,

вызванные неоднозначностью определений как элементов системы, так и функций Е = (_/, ф,С) , областей их определения и условий, ограничивающих области их значения наподобие р: [р0..р1 ]| . Если с позиции социальных наук (менеджмента, социологии, юриспруденции и т.п.) такое положение вполне допустимо, то при построении информационно-управля-ющей подсистемы г = £ (у, э) расхождение, например, в соглашении об используемых определениях не дает возможности разработать интерфейс передачи параметров неопределенного

Ь У(а> ь)

рода pda

Особыми элементами СТС, влияние которых на выполнение системой ее миссии, наиболее существенно, являются: экспертные элементы ПУ

СТС С5 „ , активные элементы сис-

а '

темы

и У*

Эксперт является разновидностью активного элемента. Он принимает решения и формулирует управляющие воздействия на основе опыта (внутренний ненаблюдаемый параметр) и трудно формализуемых правил. Так как эксперт - социальный элемент, его выходной параметр (управляющее воздействие) в соответствии с предыдущим тезисом является разрывной или дискретной величиной, то есть экспертное управление -всегда позиционное.

Разрывный характер наблюдаемых свойств активных элементов является следствием изменения их ненаблюдаемых свойств даже в том случае, когда по природе своей они не явля-

d

в

a

a

ются дискретными. Даже в простейшем случае описания изменения ненаблюдаемых свойств { , Х2 ) простейшей сборкой Уитни [3]

I у! = х3 + х! х2

в пространстве на-

I у 2 = х2

блюдаемых свойств (у1з у2) возникают бифуркации и точки возврата.

В СТС принципиально невозможно выделить и исследовать изменения ненаблюдаемых параметров, так как их природа не является энергетической, а следовательно, нет возможности определить точки локальной устойчивости, например, энтропийным методом. Однако, для обеспечения качественного управления системой все-таки необходимо определять точки бифуркаций, прохождение которых порождает разрывность свойств и ведет к потере устойчивости системы.

Практика создания информацион-но-управляющих систем [4-8] показывает, что в некоторых случаях введение экспертного управления скачкообразно (резко, революционно) улучшает качество управления.

Критерием оценки качества управления, как и оптимальности ПУ, являются затраты ресурсов на управление. Одним из ресурсов может выступать время выработки управляющего воздействия или объемлющее его время переходного процесса по возмущению. Процесс управления ограничивается допустимыми параметрами переходного процесса, в том числе, допустимым временем регулирования, предельными или интегральными по времени ограничениями.

Задачей оптимизации является минимизация ресурсов, затрачиваемых на управление, т.е. оптимальное в смысле ресурсов управление СТС. Причем кроме, собственно, управ-

ляющего воздействия, требуется определить точку его приложения, то есть вычислить местоположение создаваемого в системе контура управления. Обычно исследуемая СТС уже включает в себя также и управляющие элементы, так как она функционирует и до введения эксперта, а значит, управление есть. Следовательно, речь идет о создании оптимальной каскадной или каскадно-комбинированной системы управления существующей СТС.

Предварительно разумным представляется включение эксперта в область элементов с разрывными характеристиками, иначе говоря, в неустойчивые подсистемы. Разрывными (или даже дискретными) могут быть как параметры внутреннего состояния (функции переходов системы), так и параметры функции выхода системы. Разрывные свойства могут проявляться не только у социальных, но и у технических элементов СТС. Это позволяет использовать некоторые технические аналоги в целях исследования свойств СТС.

Выделение контура управления также может являться экспертной задачей, то есть эксперт может решить, куда применить оперативное экспертное или автоматическое управление. Т.о. создание топологии ПУ СТС

- один из этапов обеспечения качества управления.

Для расчета оптимального местоположения экспертного управляющего элемента требуется провести системный анализ СТС с целью идентифицировать ее топологию и звенья. Существует бесконечное множество способов перехода от реальных систем к их абстрактным описаниям. Требуется выбрать описание системы в терминах типовых звеньев и топологических связей так, чтобы минимизировать отклонение расчетных параметров от известных эксперимен-

тальных данных (задача оптимизации идентификации СТС).

Однако в отличие от технических систем, идентификацию СТС нельзя проводить активным образом, так как последствия обычно попадают в область недопустимых значений. Поэтому остается наблюдать за системой (пассивный эксперимент).

Таким образом, для реализации оптимального управления СТС с использованием активного экспертного управляющего звена необходимо:

1. Провести математическую или экспертную идентификацию СТС с целью определения оптимального местоположения добавляемого в систему управляющего звена.

2. Провести выбор закона (или набора правил) управления, реализуемых экспертным управляющим звеном.

1. Затонский А.В. Оптимальное позиционное управление социально-техническими системами // Сб. научных трудов «Наука в решении проблем Верхнекамского промышленного региона», выпуск 5.- Березники, ПГТУ, 2005.- С.138-163.

2. Виханский О. С. Стратегическое управление.- М.: Экономистъ, 2006.- 296 с.

3. Арнольд B.A. Теория катастроф. -М.: Едиториал УРСС, 2004.- 128 с.

4. Затонский А.В., Беккер В.Ф. Составление и оптимизация расписания движения общественного транспорта // Молодежная наука Прикамья: областная науч. конф. молодых ученых.- Пермь, 2000.- Т. 1.- С. 96.

5. Кирин Ю.П., Беккер В.Ф., Затонский А.В., Бильфельд Н.В. Адаптивное позиционное регулирование с идентификацией // Математические методы в технике и технологиях: Материалы 16 Междунар. науч. конф. Т.2,- Ростов на Дону, 2003.- С. 85-88.

3. Определить количественный критерий оптимальности управления и предоставить эксперту средства оценки выработанного им управляющего воздействия.

Идея экспертного управления успешно реализована в следующих ин-формационно-управляющих системах: ИС управления движением троллейбусов г. Березники Пермского края, ИС обеспечения техническим обслуживанием и ремонтами ОАО «Березниковский содовый завод», ИС обеспечения деятельности филиала высшего учебного заведения. Во всех случаях введение экспертного управления позволило в рамках установленных временных ограничений реализовать выработку управляющих воздействий, реализующих приемлемое качество управления СТС.

------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

6. Кирин Ю.П., Беккер В.Ф., Затонский A.B., Бильфельд Н.В. Синтез импульсной позиционной системы управления нестационарным объектом // Математические методы в технике и технологиях: Материалы 18-й международной научной конференции, Т.10.- Казань, 2005.- С.44-47.

7. Затонский A.B., Калинина Н.С. Информационная система обеспечения качества образования в ВУЗе // Математические методы в технике и технологиях: Материалы 19-й международной научной конференции, Т.4.- Воронеж, 2006.- С. 173177.

8. Затонский A.B. Особенности ре-инжениринга информационных систем поддержки техобслуживания и ремонта // Современные проблемы экономики и новые технологии исследований: межвуз. сб. науч. трудов. 4.2. / Филиал ВЗФЭИ в г. Владимире,- Владимир, 2006,- С. 240-244. НИВ

— Коротко об авторе ----------------------------------------------------------

Затонский А.В. - Березниковский филиал Пермского государственного технического университета.

Рецензент канд. техн. наук, проф. кафедры АТП Березниковского филиала ПГТУ В.Ф. Беккер.