Основы управления сложными организационно-техническими системами

КИБЕРНЕТИКА
Н.Винер (1948). Наука об управлении и связи в животном и машине
А.И.Берг
(1959) - Представляет собой теоретическую основу изучения процессов управления и строения управляющих систем
(1959) - Наука о целеустремленном управлении развивающимися процессами. Содержание кибернетики заключается в сборе, переработке и передачи информации с целью улучшения управления для достижения поставленной задачи
(1964) - Наука об оптимальном управлении
Энциклопедия кибернетики (1974). Наука об общих закономерностях получения, хранения, передачи и преобразования информации в сложных управляющих системах

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КЛАССИЧЕСКОЙ КИБЕРНЕТИКИ
Доказано, что важнейшим атрибутом любой системы (биологической, технической, социальной и т.п.) являются механизмы управления, поддерживающие систему в целостном состоянии и обеспечивающие целесообразное ее поведение в пространстве и времени;
Доказано, что управление в системе любой природы есть целенаправленный процесс, предполагающий наличие вполне определенной цели;
Доказано, что управление в системе любой природы есть информационный процесс, заключающийся в сборе, передаче и переработке информации;
Доказано, что регулярное и целенаправленное управление возможно только в замкнутом контуре, состоящем из управляющих и управляемых объектов, соединенных между собой прямыми и обратными линиями (цепями) связи;
Доказано, что управление есть циклический процесс, а само управление должно быть оптимальным
Кибернетика свела все ранее существовавшие взгляды на процессы управления в единую систему и доказала ее полноту и всеобщность, она предметно продемонстрировала повышенную мощность системного подхода к решению сложных проблем
Вместе с тем, объявленная кибернетикой всеобщность рассмотренных выше положений , принявших характер законов, остается пока преимущественно декларацией, слабо подтвержденной конструктивным обоснованием именно ее всеобщности ( это касается, прежде всего, социально-экономических систем)

НЕОБХОДИМОСТЬ ДАЛЬНЕЙШЕЙ ЭВОЛЮЦИИ КИБЕРНЕТИКИ
Особенности современных объектов управления:
повышенная сложность и размерность, избыточность, многофункциональность, распределенность, унификация, однородность основных элементов, подсистем и связей;
структурная динамика, нелинейность и непредсказуемость поведения; иерархически-сетевая структура;
неравновесность, неопределенность от вмешательства и выбора наблюдателя;
постоянное изменение правил и технологий функционирования, изменение правил изменения технологий и самих правил функционирования;— наличие как контуров отрицательной, так и положительной обратной связи, приводящих к режимам самовозбуждения (режимам с обострением);
наряду с детерминированным и стохастичным поведением, возможно хаотическое поведение;
ни один элемент не обладает полной информацией о системе в целом;— избирательная чувствительность на входные воздействия (динамическая робастность и адаптация)
время реагирования на изменения, вызванные возмущающими воздействиями, оказывается больше, чем время проявления последствий этих изменений, чем интервал между этими изменениями;— абсолютную полноту и достоверность информации описания реального объекта получить принципиально невозможно в соответствии с пределом Бремерманна и теоремой Геделя..

ЭВОЛЮЦИЯ КИБЕРНЕТИКИ
Second cybernetics – кибернетика второго порядка – КВП
М.Марума (1963). КВП рассматривает контуры положительной обратной связи для усиления полезных возмущающих воздействий и флуктуаций. Модель КВП более правдоподобно объясняет природу процессов, обучения, адаптации, социальных взаимодействий.
Х.Фёрстер (1974). КПП – кибернетика наблюдаемых систем. КВП – кибернетика наблюдения, включающая наблюдателя. КВП изучает взаимодействие между наблюдателем и тем, что наблюдается, и ориентирована на сложные и живые системы, причем не столько на управление, сколько на познание процессов развития и нарастания биологической и социальной сложности.

ЭВОЛЮЦИЯ КИБЕРНЕТИКИ (продолжение)
Редько В.Г. и др. (с 1993 г.). Эволюционная кибернетика – изучает кибернетические свойства живых систем и принципы, методы и модели обработки информации в них.
Фрадков А.Л. (с 1998 г.). Кибернетическая физика – исследование физических систем кибернетическими методами.
Юсупов Р.М. (1978-1998) . Геофизическая кибернетика – теоретические основы управления объектами неживой природы (геофизики).

Неокибернетика
междисциплинарная наука, ориентированная на разработку методологии постановки и решения проблем анализа и синтеза интеллектуальных процессов и систем управления сложными объектами произвольной природы;
неокибернетика это— кибернетика II порядка, исследующая системы управления, обладающие свойством избирательности и операциональной замкнутости, а также способностью моделировать среду и себя в ней (кибернетика наблюдения, включающего и самого наблюдателя).

ИСХОДНОЕ ПОНИМАНИЕ ИНФОРМАТИКИ
«ИНФОРМАТИКА – научная дисциплина, изучающая структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности всех процессов научной коммуникации»
(Энциклопедия кибернетики, 1974;
Словарь по кибернетике, 1979)

ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНФОРМАТИКИ
Наука о преобразовании информации, которая базируется на вычислительной технике. Предметом информатики является вычислительная технология как социально-исторический феномен…состав информатики – это три неразрывно и существенно связанные составные части: технические средства, программные и алгоритмические (Дородницин А.А.).
Некая синтетическая дисциплина, которая включает в себя разработку новой технологии научных исследований и проектирования, основанное на использовании ЭВТ, и несколько крупных научных дисциплин, связанных с проблемой общения с машиной, и наконец, с созданием машины (Моисеев Н.Н.).
Комплексная научная и технологическая дисциплина, которая изучает, прежде всего, важнейшие аспекты разработки, проектирования, создания, “встраивания” машинных систем обработки данных, а также их воздействия на жизнь общества (Михалевич В.С.).
Фундаментальная естественная наука, изучающая процессы передачи и обработки информации (Ершов А.П.).
Наука о проблемах обработки различных видов информации, создании новых высокоэффективных ЭВМ, позволяющая предоставлять человеку широкий спектр различных информационных ресурсов (Якубайтис Э.А.).
Информатика (наука об инфокоммуникациях) – наука, которая изучает, как преобразуется, репрезентируется (представляется), хранится и воспроизводится информация, а также как она передается и используется (Кузнецов Н.А.).
Информатика – научное направление, являющееся составной частью кибернетики, основные задачи которого заключаются в изучении информационных потребностей общества и разработке путей, средств и методов наиболее рационального их удовлетворения (Герасименко В.А.).
Наука об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях (Французская Академия наук).
Наука, техника и применение машинной обработки, хранения и передачи информации (М.Брой, Германия).

1 Информация
2 Информационные
процессы
Информационные технологии
Информатизация
Аппаратное обеспечение
(hardware)
Математическое и программное обеспечение
(brain-software)
Организационно-методическое обеспечение (orgware)
4
Методы, модели, алгоритмы, программное обеспечение
3
Вычислительная техника, микроэлектроника, средства связи и телекоммуникаций, оргтехника
5
Создание технической документации, кадровое обеспечение, управление и сопровождение разработок и т.д.
ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СТРУКТУРА ИНФОРМАТИКИ

ИНФОРМАТИКА – наука о методах и средствах сбора, хранения, передачи, представления, обработки и защиты информации

РАЗВИВАЮЩИЕСЯ РАЗДЕЛЫ ИНФОРМАТИКИ:
извлечение знаний из данных;
машинное обучение;
многоагентные системы
компьютерное зрение;
речевая информатика;
стеганография и стеганоанализ;
интеллектуальные сенсорные сети;
защита компьютерных сетей;
новые технологии компьютерного моделирования и супервычислений
биометрия и т.д. и т.п.

ОСНОВНЫЕ ПРИЧИНЫ «БЛИЗОСТИ» ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ
Информатика развивалась в недрах кибернетики, практически на единой технической базе – вычислительная техника и средства связи и передачи данных (кибернетика-теория управления-информационные процессы-информатика-кибернетические машины (ЭВМ))
Основным объектом исследования в кибернетике является управление. Управление – в значительной мере информационный процесс. Поэтому кибернетика объективно была вынуждена заниматься вопросами сбора, обработки, хранения и передачи информации

«Информатика – кибернетика на современном этапе»
(Бирюков Б.В., 1989)
«… совокупность научных направлений, называемых теперь информатикой, именовалась по разному. Сначала объединяющим названием был термин «кибернетика», затем на роль общего названия той же области исследований стала претендовать «прикладная математика» … Поэтому, говоря об истории информатики в бывшем СССР и теперешней России, по сути, надо излагать историю отечественной кибернетики и частично прикладной математики и вычислительной техники»
( Поспелов Д.А. «Становление информатики
в России», 1998)

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ КИБЕРНЕТИКИ И ИНФОРМАТИКИ

ИНТЕГРАЦИЯ ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ
адаптивные компьютерные
системы;
проактивные компьютерные
системы;
адаптивные предприятия;
киберпространство;
киберпреступление и т.д.
ИНФОРМАТИКА
КИБЕРНЕТИКА
информационное управление;
интеллектуальное управление (ситуационные, нейроуправление, многоагентное, управление на основе эволюционных алгоритмов, основанное на знаниях);
программная кибернетика и т.д.

ИНФОРМАЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ
Под информационным управлением понимается процесс выработки и реализации управленческих решений в ситуации, когда управляющее воздействие носит неявный, косвенный характер, и объекту управления представляется определяемая субъектом управления информация о ситуации (информационная картина), ориентируясь на которую этот объект как бы самостоятельно выбирает линию своего поведения

АДАПТИВНЫЕ И ПРОАКТИВНЫЕ КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ
(proactive computing)
Адаптивные и проактивные компьютерные (proactive computing) системы призваны для решения проблем, ограничивающих развитие ИКТ на современном этапе, в частности за счет придания системам таких адаптационных способностей, как самоконтроль, самовосстановление, самоконфигурирование, самооптимизация, самообслуживание, самоорганизация. Свойства проактивных систем расширяют наши представления о применении компьютеров за счет необходимости мониторинга окружающей среды (мира) и влияния на него. Одна из основных задач адаптивных систем и адаптивного управления – приспосабливаться к требованиям бизнеса. IBM, HP, Sun, Microsoft, Intel …

ПРОГРАММНАЯ КИБЕРНЕТИКА
Первый семинар по программной кибернетики – 2004 г., Гонконг, 28-я Международная конференция по ПО
Основная идея программной кибернетики – более тесно и формализованно объединить процессы создания и функционирования ПО с управлением и дать ответы на вопросы типа:
как формализовать механизмы обратной связи в программных процессах и системах, как ввести в них соответствующие меры;
как интегрировать программную инженерию с инженерией управления;
как адаптировать принципы теории управления (кибернетики) к программным процессам и системам и т.д.

ИНТЕГРАЦИЯ ИНФОРМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ
Предварительный отчет – рекомендация для рамочной программы РП-7 «Исследование по системам управления в Европе» (2005).
К.Острем. Доклад «Present Development
in Control Applications»
юбилейное заседание ИФАК
(Хайдельберг, 12-14 сентября 2006 г.);
1-я Российская мультиконференция по проблемам управления (Санкт-Петербург, 10-12 октября 2006 г.).
C3=control+communication+computing.
Р.М.Юсупов «К 90-летию академика Е.П.Попова (Информационно-управляющие системы, №1, 2005)
КИБЕРНЕТИКА + ИНФОРМАТИКА = НЕОКИБЕРНЕТИКА
Computing
Control
Physics
Biology
Mathema
tics
Communi
cation
C3BMP

Определение статической и динамической моделей
С т а т и ч е с к а я модель описывает связь между компонентами состояний или между этими
компонентами и другими характеристиками
системы в условиях равновесия и других
условиях «замораживания» изменения
состояния.
Д и н а м и ч е с к о й называется модель, в которой в
той или иной форме раскрываются причинно-
следственные связи (реализуется принцип
причинности), определяющие развивающийся
во времени процесс перехода системы из
одного состояния в другое.

Первое условие принципа причинности
Упорядоченность причинно-следственных связей во времени. Это означает, что состояние и выходная ситуация (выход) системы в любой момент времени не зависит от ситуаций, которые могут возникнуть на входном полюсе системы в более поздние моменты времени.

Второе условие принципа причинности
Однозначность причинно-следственных связей. Это означает, что состояние и выходная ситуация (выход) системы в любой момент времени в будущем может быть определена совершенно точно (однозначно), если точно известны:
все сведения о системе, характеризующие ее, и воздействие на нее среды в прошлом и настоящем;
входное воздействие на систему в будущем.

Динамическая система
Первая часть этого принципа эквивалента утверждению о том, что будущее системы не влияет на прошлое и констатирует необратимость явлений во времени.
Вторая часть данного принципа отражает принципиальную познаваемость причинно-следственных связей в системе и возможность точного предсказания выхода системы при наличии необходимой информации.
Таким образом, система, удовлетворяющая принципу причинности, является д и н а м и ч е с к о й системой.

Кинематическая модель
К и н е м а т и ч е с к о й моделью называется модель динамической системы, описывающая изменение состояния как функции времени и не раскрывающая причинно-следственные связи, вызывающие это изменение.

Расширенная схема кинематической модели
Динамическая система (ДС) задается с использованием 4-х основных (базисных) множеств: T, X, V, Y и 2-х отображений: φ, ψ. При этом
- вектор состояния;
- вектор выхода;
- вектор управляющих воздействий;
- преобразованный вектор управляющих воздействий;
- вектор целей;
- оценка вектора [измеряемых параметров] выхода;
- оценка вектора состояния;
- вектор возмущающих воздействий.
Измерительные средства
Блок состо-яния
Блок выхода
U
Объект управления
ПСН
ПСУ
Исполнительные органы управления
Управляющая подсистема

Динамическая система
Каждое из множеств X, V, Y может быть в свою очередь конечным, счетным, континуальным, превышающим мощность континуума; множество T может быть континуальным и дискретным (счетным либо конечным).
Обобщенное описание ДС позволяет, анализируя свойства множеств и отображений:
образовывать различные конкретные частные классы моделей ДС;
устанавливать взаимосвязи между указанными классами;
организовывать многомодельные исследования реально протекающих процессов.

Основные классы задач теории управления ДС (ТУ ДС) (детерминированный вариант задания исходных данных)

Примеры динамических систем
Конечномерные дифференциальные динамические системы (КДДС)
X, V, Y – представляет собой конечномерные пространства
T(t0,tf] ⊂ ℜ1;
Нестационарная линейная ДДС (НЛДДС)
Стационарная линейная ДДС (СЛДДС)
Билинейная КДДС

Конечные автоматы (1)
Рассмотрим частный случай ДС — конечные автоматы (КА) (конечные ДС).
В общем случае КА задаются на 3-х основных множествах с использованием 2-х отображений вида:
φ: X ×V×T→X
ψ : X ×V×T→Y
Будем рассматривать детерминированные КА (возмущающее воздействие отсутствует Ξ = ∅). Тогда X={x1,…,xn}, Y={y1,…,yn}, U={u1,…,un} — конечные множества.
Функционирование КА интерпретируется как переходы КА из состояния t0, t1, t2,…, имеющие нумерацию 0, 1, 2. В этом случае, базисное множество
T={t0, t1, t2,…} представляется в виде счетного множества вида T={0, 1, 2,…}.
КА является ДС со счетным множеством моментов времени и относится к классу ДС с дискретным временем. Если интервалы между последовательными тактами равны, говорят о синхронной конечной ДС, в противном случае об асинхронной.
: X ×V×T→X
: X ×V×T→Y
Из анализа выражений следует, что переходная функция сопоставляет каждой паре символов
(<состояние предыдущего такта, текущий вход>) символ текущего состояния.

Конечные автоматы (2)
Автомат 1 рода — несдвинутая выходная ф-ция
Автомат 2 рода — сдвинутая выходная ф-ция
Возможен вариант задания автомата, когда выходная функция имеет вид:
: X → Y
— автомат типа «вход-выход» или автомат Мура 2-го рода.
Иногда при определении автомата рассматривают не пятерку
, а шестерку
где x0=ai∈X — начальное состояние автомата.
Наиболее часто встречаются 5 основных способа задания КА:
задание КА табличный способ задания КА,
задание КА с помощью орпсевдографов,
задание КА с помощью специальных булевых матриц,
задание КА с помощью специальных грамматик,
задание КА с помощью рекуррентных отношений.

Способы задания конечных автоматов (1)
X={a1, a2, a3, a4}, Y={c1, c2}, U={b1, b2},
Возможен вариант задания автомата, когда выходная функция имеет вид:
— автомат типа «вход-выход» или автомат Мура 2-го рода.
а) Табличный способ задания КА
б) Графический способ задания КА. Орпсевдограф (допускается наличие петель в вершинах графа и множественность ребер.

Способы задания конечных автоматов (2)
в) Матричный вариант задания КА
(используются специальные булевые матрицы)
Число строк и столбцов матрицы соответствует количеству состояний КА.
Состоянию ai отвечает вектор-строка , в которой все элементы нулевые, кроме элемента, соответствующего ai и принимающего значение равное единице.
Например,
Выходному элементу cj соответствует булева вектор-строка вида:
Введенное представление позволяет рассчитать матричными методами выход КА при любом начальном состоянии и любой последовательности входных воздействий.

Способы задания конечных автоматов (3)
Пример.
Дано — начальное состояние КА,
— сценарий задания входного воздействие (2 такта).
Найти .
Переходное состояние автомата определяется по формуле
Тогда выход автомата определится по следующей формуле

1. Примеры сложных технических систем
Топологическая структура орбитальной системы навигационных космических аппаратов

1. Примеры сложных технических систем
ЦА целевая аппаратура НКА; ОА обеспечивающая аппаратура НКА; РБДЗ распределенная база данных (знаний); ТМА типовой модуль автоматизации; ЛСОД локальная система обмена данными; УМОД унифицированный модуль обмена данными; КИС командно-измерительная система; АРМ автоматизированное рабочее место, БНО баллистическое и навигационное обеспечение; ИТО информационно-телеметрическое обеспечение; КДО контрольно-диагностическое обеспечение; КПО командно-программное обеспечение; РСОД распределенная сеть обмена данными.
Техническая структура НКА, КИС, ЦУП НКА

1. Примеры сложных технических систем
Структура технологии автоматизированного управления космическими средствами.

1. Примеры сложных технических систем (CTС)

1. Примеры сложных технических систем

1. Примеры сложных технических систем
Рис. 1.1
Рис. 1.2
Рис. 1.3
Рис. 1.4
Рис. 1.5
Рис. 1.6
Рис. 1.7
Рис. 1.8
Рис. 1.9

2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции
Рис..2.1. Диаграммы структурной динамики СТС. Рис.2.2. Графики изменения структурных состояний СТС

изменение способов, целей функционирования СТС, их содержания, последовательности выполнения в различных условиях,
перемещение в пространстве отдельных элементов и подсистем СТС,
перераспределение и децентрализация функций, задач, алгоритмов управления, информационных потоков между уровнями СТС,
управление резервами,
использование гибких и
сокращенных технологий управления СТС,
реконфигурация структур СТС при ее деградации
2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции

2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции

2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции
Стандартная технология реконфигурации СТС при отказе одного из её ресурсов включает в себя следующие основные шаги:
Шаг1. Определение и анализ момента времени и места отказа ресурса, снятие с решения задачи, выполняемой на данном ресурсе, передача задачи на другой ресурс (с сохранением / без сохранения полученных промежуточных результатов);
Шаг2. Исключение отказавшего ресурса из конфигурации СТС, попытка замены его резервным (однотипным), либо резервным другого типа, с близкими функциональными возможностями;
Шаг3. Исключение связей с отказавшим ресурсом, запрет на доступ к нему, а для самого отказавшего ресурса – попытка его восстановления.

2. Структурная динамика СТС : основные понятия, определения, концепции
1- ПРД TК
2 – ПРМ TК
3 – ТК “Прогресс”
4 – ПРД ОРС
5 – ПРМ ОРС
6 – ОРС “Мир”
ЦУП–центр управления TК
ЦУП – центр управления ОРС

В современных условиях исследование проблем управления структурной динамикой осуществляется в рамках следующих направлений:
синтез технической структуры СТС при известных законах функционирования основных элементов и подсистем,
синтез функциональной структуры СТС (синтез программ управления основными элементами и подсистемами СТС) при известной технической структуре СТС,
структурно-функциональный синтез облика СТС на различных этапах ее жизненного цикла (одновременно могут синтезироваться различные виды структур : топологические, технико-технологические, организационные структуры, структуры программно-математического и информационного обеспечения и т.п.).
3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС

Главная трудность решения задач управления структурной динамикой состоит в следующем:
Определение оптимальных программ управления основными элементами и подсистемами СТС может быть выполнено лишь после того, как будет известен перечень функций и алгоритмов обработки информации и управления, который должен быть реализован в указанных элементах и подсистемах
В свою очередь, распределение функций и алгоритмов по элементам и подсистемам СТС зависит от структуры и параметров законов управления данными элементами и подсистемами
Трудность разрешения данной противоречивой ситуации усугубляется ещё и тем, что под действием различных причин во времени изменяется состав и структура СТС.
3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС

проблемы большой размерности и нелинейности моделей, описывающих структуру и варианты функционирования элементов и подсистем СТС;
проблемы конструктивного учета в моделях факторов неопределенности, связанных с воздействием на СТС внешней среды
проблемы многокритериальной оптимизации программ управления структурной динамикой СТС на полимодельных комплексах.
3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС

Проблема управления структурной динамикой СТС предполагают решение четырех основных классов задач:
задачи комплексного моделирования процессов управления структурной динамикой СТС,
задачи анализа структурной динамики СТС;
задачи наблюдения (контроля) структурных состояний СТС, ситуаций, обстановки;
задачи формирования, выбора и реализации программ управления структурной динамикой СТС.
3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС

Рис.3.1. Место теории управления структурной динамикой СТС в системе междисциплинарных исследований
3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС

3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС
Основополагающие научные работы
Системный анализ
Поспелов Г.С. 1981
Афанасьев В.Г. 1980
Клир, 1985
Касти, 1979
Саати, 1972, 1990
Гвишиани, Прангвишвили, 1998
Исследование Операций
Акофф, 1978
Цвиркун, 1982, 1985, 1993, 1997
Шеннон, 1975
Форрестер, 1970
Вентцель, 1964
Петросян, 1996
Моисеев 1982
Гермейер, 1971

3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС
Основополагающие научные работы
Теория систем
Месарович, Такахара, 1975
Уемов 1978
Урсул 1981
Калинин, Резников, 1974
Гиг Дж, 1978
Бурбакии, 1953, 1955
Эшби, 1956, 1963
Искусственный интеллект
Russel, 1995
White, Sofge, 1992
Gupta, Sinha, 1996
Васильев, 1992, 1998
Harrison, Chess, 1995
Поспелов Д.А. 1985
Wooldridge, Jenning, 1998
Городецкий, 1993, 1998, 2001

3. Современное состояние исследований проблем
управления структурной динамикой СТС
Основополагающие научные работы
Теория управления
Athaus, Falb, 1966
Понтрягин, 1961
Bellmann, 1957
Моисеев, 1974
Цурков, 1989
Siliak, 1990
Singh, Titli, 1979
Ranch, Schmidt, Natoki, 1996
Bellmann, Zadeh, 1970
Moore, Harris, 1992
Nerode, Kokh, 1993
Юсупов, Розенвассер, 1999
Павловский, 1994

4. Методологические основы управления
структурной динамикой СТС

4. Методологические основы управления
структурной динамикой СТС
Методологические основы теории УСД СТС включают в себя:
Концепции: системного анализа и моделирования, теории систем и управления сложными динамическими системами с перестраиваемой структурой;
Принципы: программно-целевого управления, полимодельности и многокритериальности, внешнего дополнения и погружения, необходимого разнообразия и неокончательных решений, первого руководителя;
Подходы: интегративный, структурно-математический, категорийно-функторный;
Требования (к облику СПМО и ИО): требования системного подхода к организации процессов управления, универсальности и проблемной ориентации, адекватности, гибкости, адаптивности.

Таблица 1
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
n

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

Рис. 5.1. Обобщенная структурная схема активного подвижного объекта
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

Рис.5.2. Фрагмент диаграммы переходов из обобщенных состояний АПО первого типа
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
Рис.5.3. Возможные варианты интерпретации АПО первого типа
Космические
аппараты и
орбитальные
системы
Другие
динамические
объекты
Наземные
мобильные
объекты и системы
Корабли и
подводные
лодки
Самолеты
Активный Подвижный
Объект (AПO)
Элементы
промышленного
производства

Пусть перед системой АПО стоит двойственная задача:
1) создание в заданных областях физического пространства таких условий («информационных полей»), при которых каждый АПО, пункты управления (ПУ), пункты обслуживания (ПО), находящиеся в указанных областях, могут определять своё местоположение, обмениваться информацией друг с другом, определять и оценивать состояние ОБО;
2) создание и поддержание в пространстве такой структуры АПО, которая позволит за заданное (либо минимальное) время осуществлять непосредственное вещественное либо энергетическое взаимодействие с ОБО, в ходе которого будет выполняться целевая задача, стоящая перед системой АПО.
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
Рис.5.4. Обобщенная структурная схема системы обслуживания (АПО второго типа)

Рис.5.5. Фрагмент диаграммы переходов из обобщенных состояний АПО второго типа
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
Рис. 5.6. Графическая и теоретико-множественная интерпретация структурной динамики СТС

Пример структурной динамики группировки АПО
An – Активный Подвижный Объект с номером “n”
m – материальные потоки
e – энергетические потоки
i – информационные потоки
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
t = ts
Рис. 5.7. Потоковая интерпретация структурной динамики СТС
t = ts+1

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
Рис. 5.8. Геометрическая интерпретация задачи распределения функций управления между подсистемами СУ АПО

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
Динамическая интерпретация выполнения комплексов операции
1. Традиционный подход (статические PERT-модели)
где:
xi – состояние операции;
Ti – время выполнения операции;
Qi – объем операции,
νi – интенсивность выполнения операции

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС СТС
;
Зимин И.Н., Иванилов Ю.П., Лернер А.Я. (1971)
Моисеев Н.Н. (1975)

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
;
Предлагаемый подход

Мg – динамические модели управления движением СТС;
Мk – динамические модели управления каналами СТС;
Мо – динамические модели
управления операциями в СТС;
Мn – динамические модели управления потоками СТС; Мр – динамические модели управления ресурсами СТС ;
Ме – динамические модели управления параметрами операций в СТС;
Мс – динамические модели управления структурной динамикой СТС;
Мn – динамические модели управления вспомогательными операциями
Рис. 5.9 Обобщенная схема взаимодействия моделей управления СТС
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

Рис.5.10. Обобщенная технология параметрической и структурной адаптации аналитико-имитационных моделей УСД СТС
5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
(5.5)
(5.6)
(5.7)

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС
(5.8)
, k = 1,2,...,K.
(5.9)
(5.10)
(5.11)
(5.12)
(5.13)
(5.14)
(5.15)

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

5. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой СТС

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ целевых и информационно-технологических возможностей СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС (анализ устойчивости функционирования СТС)

6. Основные результаты решения задач анализа структурной динамики СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС
Пример формализации и решения задач анализа и выбора технологий управления ОрС НКА
N1 число наземных точек, в которых проверяется точность навигационных определений; N2 общее число полных проверок (сеансов обсервации); N3 общее число точек (во всех сеансах обсервации), в которых точность место определения наземного потребителя оказалась выше заданного порога;
PH вероятность обеспечения наземных потребителей навигационной информацией

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС
Исходная постановка задачи
Вариант декомпозиции задачи
Имитационная модель (1 уровень):
Аналитические модели (2 уровень)

Обобщенная процедура решения задач УСД СТС должна включать
следующие основные фазы:
На первой фазе должно осуществляться формирование (генерирование) допустимых вариантов многоструктурных макросостояний СТС или, по-другому, структурно-функциональный синтез нового облика СТС, соответствующего складывающейся (прогнозируемой) обстановке.
На второй фазе проводится выбор конкретного варианта многоструктурного макросостояния СТС с одновременным синтезом (построением) адаптивных планов (программ) управления переходом СТС из текущего в требуемое (выбранное) макросостояние. При этом рассматриваемые планы должны обеспечивать такое эволюционное развитие СТС, при котором наряду с реализацией программ перехода из соответствующих макросостояний предусматривается одновременно и реализация программ устойчивого управления СТС в промежуточных многоструктурных макросостояниях.
7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

Шаг 1. Формирование, анализ и интерпретация исходных данных, используемых при генерировании (синтезе) многоструктурных макросостояний СТС, построение или коррекция описания моделей, используемых при структурно-функциональном синтезе облика СТС.
Шаг 2. Планирование процесса решения задачи генерирования (синтеза) многоструктурных макросостояний СТС. Определение затрат времени и других ресурсов, необходимых для решения рассматриваемой задачи.
Шаг 3. Построение и аппроксимация множества достижимости (МД) динамической системы, с помощью которого неявно задаются варианты облика СТС (варианты многоструктурных макросостояний СТС).
Шаг 4. Ортогональное проектирование на МД множества, с помощью которого задаются требования, предъявляемые к новому облику СТС,
Шаг 5. Формирование и интерпретация выходных результатов, представление их в удобном для последующего использования виде (например, для разработки адаптивных планов развития СТС и соответствующих регулирующих воздействий, обеспечивающих реализацию данных планов с требуемой степенью устойчивости).
7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

Шаг 1. В интерактивном режиме осуществляется автоматизированная подготовка, контроль, анализ и ввод всей исходной информации, необходимой для решения задачи управления структурной динамикой СТС.
Шаг 2. Планирование проведения комплексного моделирования процессов адаптивного управления функционированием и развитием СТС в текущей и прогнозируемой обстановке, планирование проведения вычислительных экспериментов в ИС, определение состава и структуры моделей, методов и алгоритмов решения частных задач моделирования, расчёт времени, необходимого для решения указанных задач.
Шаг 3. Генерирование, на основе проведения комплексного моделирования, допустимых вариантов функционирования СТС в исходном, промежуточных и требуемых многоструктурных макросостояниях, вывод результатов моделирования ЛПР, предварительный интерактивный структурно-функциональный анализ указанных результатов моделирования; формирование классов эквивалентных многоструктурных макросостояний СТС,
7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

Шаг 4. Автоматизированный ввод допустимых вариантов функционирования СТС, проверка корректности заданной системы ограничений, окончательный выбор необходимого уровня агрегирования при описании моделей УСД СТС, вычислительной схемы и плана вычислительных экспериментов по поиску оптимальных программ УСД СТС.
Шаг 5. Поиск оптимальных программ управления структурной динамикой СТС, при которых обеспечивался переход из заданного в синтезируемое многоструктурное макросостояние СТС, устойчивое управление функционированием СТС в промежуточных многоструктурных макросостояниях.
Шаг 6. Имитация условий реализации оптимального плана управления переходом СТС из текущего в требуемое (выбранное) макросостояние при наличии возмущающих воздействий и с учётом различных вариантов их компенсации на основе методов и алгоритмов оперативного управления.
7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

Шаг 7. Структурная и параметрическая адаптация плана, СПМО и ИО ИС к возможным (прогнозируемым на имитационных моделях) состояниям ОУ, УП, внешней среды. В ходе указанной адаптации, кроме того, вводится необходимый уровень структурной избыточности СТС, обеспечивающий на этапе реализации плана компенсацию не предусмотренных в плане возмущающих воздействий.
После проведения требуемого числа вычислительных экспериментов осуществляется оценивание устойчивости сформированного адаптивного плана УСД СТС.
Шаг 8. Вывод полученных результатов комплексного адаптивного планирования применения СТС, их интерпретация и коррекция ЛПР,
7. Обобщенная процедура решения задач выбора программ управления структурной динамикой СТС

ИВЦ
потребителей
-
НКУ НКА
ЦУП
8. Обобщенная организационно-техническая структура наземного комплекса управления (НКУ) навигационными КА (НКА)

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС
Рис. 12.1. Пример агрегированной диаграммы макросостояний ОрГ НКС.

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС
Состав обобщенных исходных данных:
Варианты топологических структур навигационной космической системы (НКС);
Варианты технических структур НКС ;
Варианты функциональных структур (технологий взаимодействия НКА с НКУ);
Варианты диаграмм многоструктурной динамики основных элементов и подсистем НКС;
Система показателей качества функционирования НКС.

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС
Обобщенные этапы решения задачи:
Расчет и проверка выполнения основных пространственно-временных ограничений;
Расчет эвристических программ УСД НКС;
Расчет оптимальных программ УСД НКС;
Имитация условий реализации программ УСД НКС;
Расчет и оптимизация показателей эффективности УСД НКС.

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой НКС
λ
σ, m

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

9. Комплексное моделирование процессов управления структурной динамикой МЛА

10. Заключение

10. Заключение

11. Благодарности
Разработка данной и последующих версий прототипов специального программно-математического обеспечения процессов управления структурной динамикой СТС базируется на новых научных результатах, полученных авторами в ходе выполнения ряда проектов при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований (проекты № 02-07-90463в, 05-07-90088, 05-08-18117а), Секции прикладных проблем при Президиуме РАН (проект № 1331), Отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН (государственный контракт № О-2.5/03), МНТЦ (проект 1992р), CRDF (RUM -1554-ST-05).