CC BY
125
УДК 519.688
Система поддержки принятия решений
при проектировании сложных технических систем
А.Э. АДИГАМОВ,
канд. техн. наук, доцент П.В. МАКАРОВ,
канд. физ.-мат. наук, доцент Н.Д. СИМАЧЕВ,
канд. физ.-мат. наук, доцент
Московский государственный горный
университет
И.Н. СИМАЧЕВА,
главный специалист
ОАО «РЖД», г. Москва
E-mail: simnik_49@mail.ru
Представлен путь совершенствования вычислительных систем — Систем Поддержки Принятия Решений, позволяющих лицу, принимающему решения, сочетать собственные субъективные предпочтения с компьютерным анализом ситуации. В последнее время при разработке сложных технических систем актуальным является выбор оптимального решения и его аргументация. Особенно это необходимо при разработке новой техники, содержащей этап исследовательского проектирования, когда формируется облик сложной технической системы с помощью проблемно-ориентированного графа. Вариант проектирования представляет собой ветвь на графе. Для выбора оптимальной ветви на графе предложен векторный показатель качества, представляющий совокупность частных показателей. Эффективность оптимального варианта оценивается по максимуму векторного показателя качества.
Ключевые слова: проектирование сложных систем, проблемно-ориентированный граф, оптимальный варианта, векторный показатель, принцип минимакса.
Presented a way to improve computer systems Decision Support Systems that allow the decision maker to match their own subjective preferences with the computer analysis of the situation. In recent time in the development of complex technical systems is actual choice of the optimum decision and its reasoning. This is especially necessary during the development of new equipment containing stage of the research design.
Keywords: design of complex systems, problem-oriented graph, optimal variant, vector index, minimax principle
Принятие решения в большинстве случаев человеческой деятельности состоит в выборе лучшего варианта среди множества возможных альтернативных решений. В сложных, ответственных случаях лицо, принимающее решение (ЛПР), обращается к опытным и знающим экспертам за помощью в принятии своего решения.
Большое количество задач, если не большинство, являются многокритериальными задачами (к числу которых относится проектирование сложных технических систем), в которых приходится учитывать большое число неопределенных и противоречивых факторов.
Неопределенность в принятии наилучшего варианта часто обусловлена неполнотой знаний о проблеме, по которой должно быть принято решение, невозможностью учета влияния окружающей среды на принимаемое решение, неправильным пониманием ЛПР своих целей.
Все это осложняет процесс принятия решений, выбора лучшего варианта без дополнительной аналитической поддержки, предоставляемой системой поддержки принятия решений (СППР).
Психологические исследования показывают, что ЛПР без дополнительной компьютерной аналитической поддержки использует упрощенные, а иногда и противоречивые правила выбора. Появился новый класс вычислительных систем — системы поддержки принятия решений, позволяющих ЛПР сочетать собственные субъективные предпочтения с компьютерным анализом ситуации. С помощью СППР человеко-машинная процедура принятия решений представляет циклический процесс взаимодействия человека и компьютера.
Система поддержка принятия решений включает:
• помощь ЛПР при анализе объективной составляющей, т.е. в понимании и оценке сложившейся ситуации и ограничений, накладываемых внешней средой;
• выявление предпочтений ЛПР, т.е. выявление и ранжирование приоритетов;
• учёт неопределенности в оценках ЛПР и формирование его предпочтений;
• генерацию возможных решений, т.е. формирование списка альтернатив;
• оценку возможных альтернатив, исходя из предпочтений ЛПР и ограничений, накладываемых внешней средой;
• анализ последствий принимаемых решений;
• выбор лучшего, с точки зрения ЛПР, варианта.
Формализация методов генерации решений, их оценка являются чрезвычайно сложной задачей. Эта задача стала эффективно решаться с возникновением и применением средств вычислительной техники, обеспечивающих интеллектуальную поддержку принимаемых решений.
История развития Систем Поддержки Принятия Решений
На начальном этапе развития СППР применение компьютерных технологий проходило в области организации уп-
равления экономики. Так, развитие систем «IBM system-360» и других мощных вычислительных систем привело к созданию систем информации для менеджмента в больших компаниях. Они обеспечивали менеджеров структурированными регулярными финансовыми докладами. В конце 60-х годов ХХ века информационными системами нового типа были модельно-ориентированные системы принятия решений для менеджмента.
Пионеры в разработке СППР, Питер Кин и Чарльз Стэйбел, сформулировали понятие о поддержке в принятии решений на основе теоретических исследований принятия организационных решений, проведенных в технологическом институте Карнеги в конце 50-х - начале 60-х годах прошлого века.
В 1971 г. вышла книга Майкла С.С.Мортона «Принятие решений для менеджмента: компьютерная поддержка принятия решений». На рубеже 1970-х годов стали публиковаться статьи по системам принятия решений для менеджмента, системам стратегического планирования. Среди указанных работ следует выделить статью Литтла, опубликованную в 1970 г., в которой сформулированы основные критерии по формированию моделей и систем поддержки принятия решений для менеджмента. Четыре его критерия: надёжность, лёгкость контроля, простота и полнота набора необходимых компонент — до сих пор остаются релевантными для оценки современных СППР.
В последнее время при разработке сложных технических систем актуальным является выбор оптимального варианта и его аргументация [1]. Важным при этом является формализация оптимального выбора с учётом большого числа факторов, часто очень противоречивых. Особенно это актуально при разработке новой техники, содержащей этап исследовательского проектирования.
Исследовательское проектирование сложных технических систем
Исследовательское проектирование охватывает научные направления и исследования, экспериментальные и проектные исследования по формированию облика сложной технической системы (СТС), её отдельных подсистем и элементов.
Одним из путей решения указанных задач является обеспечение проектировщиков интеллектуальными средствами информационной, аналитической и программной поддержкой СППР.
Исследовательское проектирование рассматривается как процесс составления описания, необходимого для создания в заданных условиях еще не существующего объекта СППР. Включает исследовательскую, познавательную деятельность, инженерное творчество и составляет важный элемент жизненного цикла практически любой СТС.
Как известно, проектирование включает два основных этапа [2]:
• внешнее проектирование — формирование требований к объекту проектирования и разработка
технического задания (ТЗ), которое содержит основные требования к нему и его взаимодействию с внешней средой. На этом этапе уточняются требования, обеспечивающие решение стоящих перед СТС задач; выяснение целей проектирования, уточнение круга решаемых задач, исследование внешней среды;
• внутреннее проектирование — определение внутренней структуры СТС проектирования, его составных частей, параметров, режимов эксплуатации. В соответствии с требованиями ТЗ разрабатывается необходимая проектно-конструкторская документация (рабочий проект).
Каждый из этих этапов имеет свою специфику, однако предварительному и эскизному проектированию (внутреннее проектирование), как и внешнему проектированию в целом, свойственно использование процедур, характеризующих творческий поиск решений и принятия наилучших решений.
Проблемно-ориентированный граф
Формализацию указанных процедур предлагается проводить с помощью проблемно-ориентированного графа (ПОГ), имеющего многоуровневую структуру и позволяющего определять основные направления работ, соотношения между исследованием и построением СТС при её проектировании. Например, в работе [3] использовался ПОГ для определения оптимального варианта построения волоконно-оптического интерфейса. На верхнем уровне определялся тип модуляции синхроимпульса, на втором уровне — наличие или отсутствие выравнивания оптического синхроимпульса.
Авторами предлагается многоуровневый проблемно-ориентированный граф проектирования многофункциональной сложной технической системы, верхний уровень которого обеспечивает многофункциональность СТС.
С позиций системного подхода СТС состоит из совокупности сложных взаимосвязанных технических подсистем. На верхнем уровне с учетом внешнего проектирования определяется основные подсистемы, обеспечивающие многофункциональность СТС, достижение тех целей, которые возложены на неё.
Сложность внутреннего проектирования состоит в том, что исследуются выбранные подсистемы и их характеристики как по отдельности, так и во взаимосвязи их между собой. Кроме того, необходимо учитывать непрерывный рост числа разработок соответствующих подсистем и принимать во внимание как современные, так и перспективные требования, предъявляемые к ним.
Последовательность проведения этапов проектирования возможна как в направлении «сверху-вниз» (от задач, поставленных перед СТС, общих требований, предъявляемых к системе, к выбору соответствующих подсистем (Ж) и соответственно к частным техническим решениям), так и в направлении «снизу-вверх» (от доступных инженерных решений соответствующих подсистем до эффективного применения разрабатываемых СТС).
Реализация оптимального варианта создания СТС возможна, если выполнимы все требования при проходе по этапам проектирования как «сверху-вниз» так и «снизу-вверх».
Проектирование СТС в направлении «снизу-вверх» применяется часто при модернизации, усовершенствовании последних или экспериментальному опробованию незначительных инноваций.
Авторами предлагается проводить проектирование СТС «сверху-вниз» с проверкой физической реализуемости соответствующих вариантов построения.
Таким образом, при проектировании принципиально новых СТС необходимо решение следующих основных проблем:
• формулировка целей, решаемых СТС, её математического эквивалентна, результирующего показателя эффективности СТС;
• определение параметров подсистем, влияющих на результирующий показатель эффективности.
На рисунке представлен укрупненный проблемно-ориентированный граф проектирования СТС.
На практике часто в качестве результирующего показателя эффективности применяют упрощенный агрегированный показатель, трактуемый как некая целевая функция, максимизация (минимизация) которой характеризует эффективность достижения поставленных функциональных задач. Недостатком такого подхода к выбору показателя эффективности является неполнота множества вариантов построения СТС на этапе эскизного проектирования.
Использование векторного показателя эффективности и соответственно определение множества не-доминированных вариантов (нехудших вариантов) позволяет уже более точно определить оптимальный вариант построения.
Совокупность ветвей проблемно-ориентированного графа представляет собой множество физически реализуемых вариантов построения СТС. Оптимальный вариант построения трактуется как оптимальная ветвь проблемно-ориентированного графа с оптимальными значениями частных показателей векторного критерия качества.
На начальном этапе разработки нового класса СТС часто используют экспертные оценки, применение которых дает возможность использовать вероятностную меру как меру измерения частных показателей. Вероятность выбора элемента ветви производится с учетом формулы полной вероятности.
В данной работе для выбора оптимального варианта разработки и создания сложных системы предложен векторный показатель качества, представляющий совокупность частных показателей. Например, при построении и применении волоконно-оптического тракта необходим выбор типа уплотнения, типа модуляции и кодирования с учетом следующих основных показателей качества информационного тракта [4]:
• скорость передачи данных;
• полосы, занимаемой каналом;
• достоверности переданной информации;
• надежности и сложности аппаратуры;
• потребляемой мощности;
• стоимости.
Под функциональной задачей волоконно-оптического тракта следует понимать обеспечение определенной совокупности частных показателей, приведенных выше и способность к наращиванию пропускной способности, возможность сопряжения, как с существующими каналами связи, так и с вновь проектируемыми.
В качестве принципа оптимальности предлагается принцип векторной оптимизации.
Эффективность оптимального варианта оценивается по максимуму векторного показателя качества.
На первом этапе данного подхода определяется множество «нехудших» вариантов, используя принцип доминирования. На втором этапе, используя информацию о структуре полученного множества, ЛПР осуществляет выбор оптимального решения.
Целесообразность данного подхода объясняется тем фактом, что результат формализованного выбора оптимального решения СППР является всего лишь основой для принятия ЛПР окончательного решения.
Для моделирования процесса выбора оптимального решения (например, оптимального варианта построения сложной системы в неизвестных условиях функционирования) предлагается игра двух лиц с заданным вектором платежей, с использованием принципа минимакса для векторного случая [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Симачев Н.Д. Выбор информационных технологий. Сахар. — 2003. — № 1. — С. 28-29.
2. Вязгин ВА., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. — М.: Высшая школа, 1989. — 184 с.
3. Калмыков И.В., Прохоров А.М., Редкозубов СА., Се-менихин В.С., Симачев Н.Д., Сисакян И.Н. Системы с волоконно-оптическими линиями связи. Технические средства систем управления и вопросы их надежности, — М.: Наука, 1982. — С. 11-19.
4. Калмыков И.В., Прохоров А.М., Симачев Н.Д., Си-сакян И.Н. Оптимизация исследований и проектирование систем с волоконно-оптическими линиями связи. Препринт ФИАН СССР. — 1979. — № 158. — 24 с.
5. Адигамов А.Э., Гущина Е.Н., Редкозубов СА., Сима-чева И.Н., Симачев Н.Д. Игра двух лиц с заданным вектором платежей для выбора оптимального решения: Отдельные статьи Горного информационно-аналитического бюллетеня. Специальный выпуск. — М.: Горная книга. — 2012. — № 11. — 12 с.
пс'1 ж'2 пс2 ..... ПСу ..... псЧ пс1 Верхний уровень (!) Промежуточный уровень (2) пс[ — t подсистема 1-уровня Нижний уровень (к)
пс'к псК пс1
Укрупненный проблемно-ориентированный граф проектирования СТС
