Ієрархічна декомпозиція в задачах оперативного управління інженерними мережними системами - Автореферат

Запропоновані підходи засновані на використанні можливості ієрархічної декомпозиції топологічної структури ІМС і породжуваної нею ієрархічної декомпозиції глобальних систем оперативного управління (ГСУ), що дозволяє реалізувати ефективні локальні процеси оперативного управління в окремих локальних мережах (ЛМ) різного рівня ієрархії. На підставі спеціально розробленого концептуального підходу декомпозиція ієрархічно організованих керуючих систем подана як визначена система трьох породжуючих послідовно одна одну ієрархічних структур, що змінюються: універсальних локальних задач оперативного управління (УЛЗ) при розвязанні глобальної задачі оперативного управління (ГЗ), універсальних локальних алгоритмів оперативного управління (УЛА) при реалізації глобального алгоритму оперативного управління (ГА), універсальних локальних систем оперативного управління (УЛСУ) у процесі функціонування ГСУ. Подальший розвиток і завершення даної дисертаційної роботи звязано з розробкою здобувачем у якості наукового керівника теми фундаментальної науково-дослідної роботи “Моделювання та алгоритмізація процесів оперативного управління ієрархічно організованими інженерними мережними системами”, що має № держреєстрації 0198U004394 у плані робіт Мінагропрому України. Поряд із цим матеріали і результати даної дисертаційної роботи були апробовані і використані здобувачем при виконанні держбюджетних прикладних науково-дослідних робіт “Теорія гібридного інтелектуального управління промисловими обєктами в системі екологічного моніторингу” (№ держреєстрації 0198U002866) і “Створення нової інформаційної технології розробки моделі управління екологічними показниками розвитку виробництва, міста, району” (№ держреєстрації 0197U008350) у плані робіт Міністерства освіти України. Метою даної дисертаційної роботи є розробка теоретичних аспектів проблеми автоматизації технологічних процесів розподілу ЦП шляхом реалізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС із неповною інформацією про обєкти управління і середовище їхнього функціонування, реалізація теоретичних положень розглядуваної проблеми у вигляді конструктивних алгоритмів та відповідних пакетів прикладних програм (ППП), що практично реалізують процеси оперативного управління реальними ІМС розглядуваного класу.На підставі цього зроблений висновок про необхідність таких нових підходів до управління ІМ, які б враховували істотні структурні і функціональні особливості обєктів управління розглядуваного класу і породжували ефективні алгоритми оперативного управління. У розділі 2 “Концептуальні підходи до аналізу надійності і керовності інженерних мереж” на основі запропонованої концептуалізації була проведена формалізація і визначені прикладні аспекти комбінаторно-графового підходу до управління ІМ із неповною інформацією про обєкти управління і середовище їхнього функціонування. Використовуючи комбінаторно-графовий підхід до управління ІМ, формалізовані задачі, звязані з визначенням ефективності керуючих дій у ІМ, а також оцінок надійності і керовності ІМ. Для цієї мети будемо використовувати ППП мережної оптимізації, що реалізує задачу про K найкоротші шляхи. У результаті розвязання розглядуваної задачі за допомогою зазначеного ППП мережної оптимізації, одержимо інформацію про кожний з чотирьох найкоротших шляхів, що ведуть із вершини 1 у кожну з вершин 10, 11 і 12.На підставі досліджень, проведених у дисертаційній роботі, здійснене рішення наукової проблеми автоматизації технологічних процесів розподілу ЦП шляхом реалізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС із неповною інформацією про обєкти управління і середовище їхнього функціонування, що має важливе народногосподарське і соціальне значення. На основі аналізу стану проблеми оперативного управління ІМ зроблений висновок про необхідність нових концептуальних підходів до рішення зазначеної проблеми, що враховують істотні структурно-топологічні, конструктивно-технологічні, а також функціональні властивості та особливості обєктів управління розглядуваного класу. Використовуючи спеціально розроблений комбінаторно-графовий підхід до управління ІМ, формалізовані задачі, звязані з визначенням ефективності керуючих дій у ІМ, а також оцінок надійності і керовності для таких обєктів. Для оптимізації топологічної структури оперативно керованих ЛМ різного рівня ієрархії, що входять до складу реальних ІМС, використані такі відомі задачі мережної оптимізації, як задача пошуку найкоротшого ланцюга, а також задача про найкоротше остовне дерево, які поставлені на мережах можливих варіантів топологічної структури оперативно керованих ЛМ. На основі спеціально розробленого концептуального підходу декомпозиція ієрархічно організованих керуючих систем подана як визначена система трьох породжуючих послідовно одна одну ієрархічних структур, що змінюються: УЛЗ при рішенні ГЗ, УЛА при реалізації ГА, УЛСУ в процесі функціонування ГСУ.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

На підставі досліджень, проведених у дисертаційній роботі, здійснене рішення наукової проблеми автоматизації технологічних процесів розподілу ЦП шляхом реалізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС із неповною інформацією про обєкти управління і середовище їхнього функціонування, що має важливе народногосподарське і соціальне значення.

Основні результати, отримані в даній роботі, полягають у наступному.

На основі аналізу стану проблеми оперативного управління ІМ зроблений висновок про необхідність нових концептуальних підходів до рішення зазначеної проблеми, що враховують істотні структурно-топологічні, конструктивно-технологічні, а також функціональні властивості та особливості обєктів управління розглядуваного класу.

Використовуючи спеціально розроблений комбінаторно-графовий підхід до управління ІМ, формалізовані задачі, звязані з визначенням ефективності керуючих дій у ІМ, а також оцінок надійності і керовності для таких обєктів. Для їхнього розвязування використані такі відомі задачі мережної оптимізації, як задача про багатополюсний найкоротший ланцюг, а також задача про K найкоротші шляхи, котрі ефективно реалізовані за допомогою ППП мережної оптимізації.

Розроблено підхід до планування початкових потокорозподілів у реальних ІМ, у якому передбачається, що дуги ІМ мають обмежені пропускні спроможності, а для окремих СЦП задана система їхніх пріоритетів стосовно споживання ЦП. На основі такого підходу побудований ефективний алгоритм планування початкових потокорозподілів, використовуваний для реалізації ітераційних процесів оперативного управління ІМ.

Для формалізації реальних ІМ як обєктів управління з урахуванням специфіки їхньої топологічної структури та процесів їхнього функціонування використаний ієрархічний кластерний та параболічний множинний регресійний аналіз. Такий підхід дозволяє формалізувати задачу управління ІМ як задачу сепарабельного програмування. На основі зазначеного підходу побудований ефективний керуючий алгоритм для реальних обєктів управління розглядуваного класу.

На основі відповідної концептуалізації встановлена ієрархічна організація реальних ІМС і проаналізована зміна найважливіших властивостей та особливостей, характерних для окремих ЛМ, у залежності від їхнього рівня ієрархії в ІМС. Формалізовано ієрархічну декомпозицію топологічної структури ІМС, яка породжувана ієрархічною декомпозицією ІМС по функціональному принципу.

На основі спеціально розробленого підходу формалізовані умови, що реалізують принцип координовності ЛЦ і породжуваних ними ЛЗ для нижчих ЛМ стосовно відповідних ЛЦ і ЛЗ для безпосередньо вищих ЛМ в ієрархічно організованих ІМС. Формалізовано також умови, що реалізують принцип координовності ЛЦ і ЛЗ для ЛМ нижчого рівня ієрархії стосовно відповідних ГЦ і ГЗ для ієрархічно організованих ІМС.

Для оптимізації топологічної структури оперативно керованих ЛМ різного рівня ієрархії, що входять до складу реальних ІМС, використані такі відомі задачі мережної оптимізації, як задача пошуку найкоротшого ланцюга, а також задача про найкоротше остовне дерево, які поставлені на мережах можливих варіантів топологічної структури оперативно керованих ЛМ. Ефективність запропонованого підходу обумовлена наявністю машинних програм чисельної реалізації зазначених задач, що входять у ППП мережної оптимізації.

На основі спеціально розробленого концептуального підходу декомпозиція ієрархічно організованих керуючих систем подана як визначена система трьох породжуючих послідовно одна одну ієрархічних структур, що змінюються: УЛЗ при рішенні ГЗ, УЛА при реалізації ГА, УЛСУ в процесі функціонування ГСУ. Запропонований підхід формалізований сукупністю відношень ізоморфізму між визначеними множинами при різних відношеннях упорядкованості на ізоморфних множинах із множини можливих упорядкованостей.

Виходячи з відповідної концептуалізації, постульовані умови, потрібні для реалізації вертикальних взаємозвязків між окремими підсистемами ієрархічно організованих керуючих систем. На основі цього зроблені можливі підходи до формалізації вертикальних взаємозвязків і визначені прикладні аспекти запропонованих підходів з урахуванням специфіки реальних керуючих систем розглядуваного класу.

На основі відповідного концептуального підходу формалізовані координуючі дії в системах, що управляють ієрархічно організованими ІМС. Запропоновано концептуальний підхід до моделювання і розглянуті методи й алгоритми реалізації УЛЗ, породжуваних ієрархічно організованими керуючими системами зі структурою, що змінюється.

На основі відповідної формалізації зроблена постановка задачі регулювання ЛР, розглянуті прикладні аспекти реалізації процесів їхнього регулювання в ієрархічно організованих ІМС, а також розроблений ефективний алгоритм динамічного розподілу процесорного часу керуючої ЕОМ.

Розроблено моделі, методи та алгоритми, а також визначені технічні засоби збору даних і мінімізації обємів оперативної інформації в системах управління ЛМ, що входять до складу зрошувальних систем.

Розроблено принципи організації і функціонування ГСУ для реальних дворівневих ІМС, що реалізують процес оперативного управління розглянутими обєктами. Реалізовано задачу ідентифікації стану вхідних вершин РМ, а також метод формування кластера стану вхідних вершин РМ.

З використанням моделей та методів сучасного кластер-аналізу і функціональних відповідностей, а також теорії НМ формалізовані локальні процеси оперативного управління окремими ЛМ, що входять до складу ієрархічно організованих ІМС. На основі цього розроблені ефективні в прикладному аспекті керуючі алгоритми, що реалізують такі процеси.

Результати, отримані в даній дисертаційній роботі, знайшли практичне застосування при моделюванні ГСУ та алгоритмізації процесів оперативного управління зрошувальними системами, а також системами водопостачання. Зокрема, моделі, методи та алгоритми, що містяться в даній роботі, використані Інститутом гідротехніки і меліорації УААН (м. Київ), Луганським обласним виробничим управлінням меліорації і водного господарства (м.Луганськ), обласним державним комунальним підприємством “Луганськводоканал” (м.Луганськ) при розробці і реалізації керуючих систем та процесів оперативного управління зрошувальними системами, а також системами міського водопостачання.

Економічний ефект від впровадження матеріалів, розробок і результатів даної дисертаційної роботи був отриманий за рахунок скорочення непродуктивних витрат ЦП та електроенергії, а також підвищення надійності і якості функціонування обєктів управління розглядуваного класу.

У прикладному аспекті подальшу розробку проблеми моделювання та алгоритмізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС здається доцільним продовжити в таких напрямках.

Розширити клас розглядуваних моделей, методів та алгоритмів, використовуваних для реалізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС.

Збільшити кількість впроваджених моделей, методів і алгоритмів оперативного управління реальними ІМС, що розроблені в даній роботі.

Продовжити створення ППП, що реалізують локальні процеси оперативного управління в ієрархічно організованих ІМС, використовуючи для цього підходи, методи та алгоритми, запропоновані в даній роботі.

Ефективно використовувати для реалізації процесів оперативного управління ієрархічно організованими ІМС сучасні засоби мікропроцесорної обчислювальної техніки.

Адаптувати отримані в даній дисертаційній роботі результати для реалізації процесів оперативного управління в більш широкому класі реальних ІМС, включаючи вентиляційні системи, а також системи газо- і теплопостачання.

Леви Л.И. Декомпозиция в задачах моделирования процессов оперативного управления иерархически организованными инженерными сетевыми системами. - Луганск: Изд-во ВУГУ, 1996. - 122 с.

Леви Л.И. Универсальные локальные задачи в изменяющихся иерархических структурах // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Выща шк., 1988. - Вып. 87. - С. 102 - 105.

Леви Л.И. Координирующие воздействия в иерархических системах // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Выща шк., 1989. - Вып.91.- С. 73 - 76.

Леви Л.И. Эвристический подход к управлению инженерными сетями // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Выща шк.,1989. - Вып. 92. - С.87 - 90.

Леви Л.И. Ободном подходе к оценкам надежности и управляемости инженерных сетей // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Выща шк.,1992.- Вып. 97.- С. 44 - 47.

Леви Л.И. Координируемость локальных целей функционирования и задач управления в инженерных сетевых системах // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Основа,1992.- Вып. 98.- С. 36 - 40.

Леви Л.И. Об определении эффективности управляющих воздействий в инженерных сетях // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Основа, 1992. - Вып. 98.- С. 56 - 58.

Леви Л.И. Координируемость по отношению к глобальной цели функционирования и задаче управления в инженерных сетевых системах // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: Основа, 1993.- Вып. 99.- С. 69 - 73.

Леви Л.И. Статистические методы в управлении инженерными сетями // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1991. - Вып. 75. - С. 68 - 72.

Леви Л.И. Свойства локальных сетей в инженерных сетевых системах // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1992. - Вып. 76. - С. 38 - 41.

Леви Л.И. Нечеткий логический регулятор уровня воды в магистральном канале оросительной системы // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1992. - Вып. 76.-С.49-52.

Леви Л.И. Минимизация объемов оперативной информации о состояниях объектов орошения // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1992. - Вып. 77. - С. 23 - 27.

Леви Л.И. Оптимизация проектируемых локальных сетей инженерных сетевых систем // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1993. - Вып. 78. - С. 70 - 72.

Леви Л.И. Сбор данных в системах управления орошением // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1993. - Вып. 79. - С. 24 - 27.

Леви Л.И. Нечеткий подход к управлению инженерными сетевыми системами // Мелиорация и водное хозяйство. - К.: Урожай, 1993. - Вып. 79. - С. 75 - 78.

Леви Л.И. Автоматическая классификация в управлении инженерными сетевыми системами // Моделирование и автоматизация технологических процессов сельскохозяйственного производства: Сб. научн. тр. МИИСП. - М.: Изд-во МИИСП, 1991. - С. 39 - 42.

Леви Л.И. Реализация локальных процессов управления в инженерных сетевых системах // Автоматика, вычислительная техника и моделирование в сельском хозяйстве: Сб. научн. тр. МГАУ. - М.: Изд-во МГАУ, 1993. - С. 59 - 65.

Леви Л.И. Средства и методы реализации процесса сбора данных в системах управления орошением // Автоматика, вычислительная техника и моделирование в сельском хозяйстве: Сб. научн. тр. МГАУ. - М.: Изд-во МГАУ, 1993. - С. 87 - 92.

Леви Л.И. Формализм нечетких множеств в моделировании и алгоритмизации процессов оперативного управления инженерными сетевыми системами // Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту. Частина 3. - Луганськ: Вид-во ЛСГІ, 1997. - С. 39 - 40.

Леви Л.И. Использование современных прикладных математико-статистических методов в управлении инженерными сетевыми системами // Збірник наукових праць Луганського сільськогосподарського інституту. - Луганськ: Вид-во ЛСГІ, 1998. - №2(5). - С. 131-136.

Леви Л.И., Скрипкина А.С. Кластер-анализ и функциональные соответствия в управлении ІМС // Збірник наукових праць Луганського державного аграрного університету. - Луганськ: Вид-во ЛДАУ, 1999. - №4(13). - С. 240-243.

Шумаков Б.Б., Губанков Л.Н., Леви Л.И. Об иерархической организации оросительных систем // Доклады ВАСХНИЛ.- 1983. - №11 - С. 34 - 35.

Шумаков Б.Б., Губанков Л.Н., Леви Л.И. Оптимальное проектирование магистральных каналов оросительных систем // Доклады ВАСХНИЛ. -1988. - №2. - С. 41 - 43.

Шумаков Б.Б., Губанков Л.Н., Леви Л.И. Система параметров для оценки алгоритмов, управляющих оросительными системами // Вестник сельскохозяйственной науки. - 1985. - №11. - С. 131 - 132.

Дубовицкий Н.М., Леви Л.И. Поиск и экономическая эффективность рационального распределения ресурсов // Оценка производственного потенциала в хозяйственном механизме АПК: Сб. науч. тр. - Харьков: Изд-во ХСХИ, 1990. - С.80 - 82.

Леви Л.И. Моделирование координирующих связей в иерархически организованных управляющих системах // Материалы отчетной научно-технической конференции сотрудников ЛСХИ по итогам 1993 года. Часть II. - Луганск: Изд-во ЛСХИ, 1994. - С. 31 - 32.

Леви Л.И. Моделирование обратных связей в иерархически организованных управляющих системах // Материалы отчетной научно-технической конференции сотрудников ЛСХИ по итогам 1994 года. - Луганск: Изд-во ЛСХИ, 1995. - С. 33.

Леви Л.И. Концептуализация декомпозиции иерархически организованных управляющих структур // Матеріали II межвузівської науково-теоретичної конференції. - Луганськ: Вид-во ЛСГІ, 1996. - С.26-27.