Исследование и разработка математического обеспечения задач автоматизированного управления транспортными предприятиями

Повышение эффективности функционирования транспортных предприятий требует совершенствования организации управления на различных уровнях. Эта задача весьма сложна и не может быть решена без все более полной автоматизации управленческих работ с применением математических методов и средств вычислительной техники.

В процессе выработки управленческого решения неизбежно встают задачи анализа и научного прогнозирования: необходимо знать, как в перспективе определенного срока изменится сам объект управления, каковы тенденции его развития, потенциальные ресурсы системы управления, ожидаемые условия достижения цели, предполагаемый эффект и возможные последствия.

Ограниченность возможностей экспериментального исследования больших систем делает актуальной разработку методики их моделирования, которая позволила бы в соответствующей форме представить процессы функционирования систем, описать протекание этих процессов с помощью математических моделей, получить результаты экспериментов с моделями по оценкам характеристик исследуемых объектов.

Различным аспектам указанной проблематики посвящено значительное число фундаментальных исследований, в том числе работы А. Й. Анчишкина, Н. А. Бобылева, М. АХалахова, А. А. Горчакова, Ю. П. Иванилова, Г. Б. Клейнера, Н. Е. Кобринского, В. П. Морозова, В. ИНиколаева, С. А. Саркисяна, Б. Я. Советова, Л. Л. Терехова, И. М Чангли, Е. М. Четыркина, Г. Е. Эдельгауза и других ученых.

На водном транспорте значительный вклад в развитие отраслевых аспектов создания и проектирования АСУ внесли работы В. С. Бондаренко, ААБулова, Э. ПХромового, АГ. Китова, Ю. М. Кулибанова, Г. С. Махуренко. В. С. Михалевича, С.АПопова.

Несмотря на значительный объем исследований, посвященных проблемам автоматизированного управления, их научную разработанность в целом нельзя назвать исчерпывающей. Современные условия хозяйствования, научно-технический прогресс, повсеместная автоматизация производственных процессов постоянно добавляют к существующим вопросам новые их аспекты, требующие научного исследования.

Важное прикладное значение имеют вопросы, связанные с повышением степени адекватности применяемых математических методов и моделей реальным зависимостям и ограничениям, характерным для транспортных систем. Далеко не полностью решены проблемы обеспечения точности результатов математического моделирования, сопряженные с исследованием широкого круга теоретических и практических вопросов, связанных с методами построения моделей и их информационным обеспечением, а также непосредственно с практикой управления большими системами.

Практика моделирования процессов развития показывает, что модели определенного вида оказываются справедливыми во вполне определенном диапазоне изменения параметров объекта и времени его развития. Это связано, как правило, с переменным характером внутренних и внешних условий развития. С изменением этих условий, начиная с некоторого момента времени, происходят адаптационные изменения в структуре системы, направленные на приспособления к новым условиям развития. Здесь вступает в силу диалектический закон перехода количественных отношений в качественные, который должен найти свое отражение в структуре моделей, описывающих такие процессы. Для этой цели необходимы модели, описывающие изменение характеристик объекта при определенном принципе его действия (эволюционные модели) и предназначенные для определения длительности данного принципа функционирования и развития системы и момента ее перехода на новый принцип. Установление таких диапазонов представляет актуальную проблемуотдельные разработки методов ее решения можно найти в исследованиях В. А. Бессонова, Н. МХромовой, В. А. Половникова, В. В. Федосеева, Ю. А. Чижова.

В области, близкой к границам устойчивости, проблема точности моделирования приобретает решающую рольздесь резко возрастают влияния стохастических составляющих, что обусловливает необходимость детального анализа влияния вариаций структуры и параметров модели на поведение ее выходной переменной. Одним из условий решения этой задачи является разработка методов, позволяющих исследовать развитие систем в случае, когда оно сопровождается переходом из одного устойчивого состояния в другое.

Особую важность в этой связи приобретает создание динамических имитационных моделей как инструмента поддержки стратегических решений, средства формирования поведения системы при различных сочетаниях управляющих воздействий, изменяющихся условиях внешней и внутренней среды.

Этим определяется актуальность темы диссертации, значимость содержащихся в ней исследований, их теоретическая ценность и прикладное значение.

Конечная цель настоящей работы — исследование и разработка математического обеспечения задач автоматизированного управления транспортными предприятиями, предполагает системный подход к анализу предприятий, основанный на комплексном рассмотрении всех аспектов процесса их развития.

В соответствии с поставленной целью исследования в диссертации рассматриваются следующие основные вопросы:

— классификация и исследование проблематики точности моделирования и прогнозирования показателей транспортных предприятий;

— совершенствование методов оценки областей параметров системы, внутри которых сохраняются ее свойства;

— разработка методологии качественного анализа для определения тенденций развития транспортных предприятий;

— исследование отличий характеристик объекта на эволюционных участках развития от соответствующих характеристик в момент скачка;

— разработка методологии для определения оценки влияния различных факторов и их совокупностей на исследуемый процесс на базе компонентного анализа.

Являясь сложными системами, состоящими из множества взаимосвязанных элементов и подсистем, транспортные предприятия характеризуются большим числом параметров, меняющихся во времени. Изучение закономерностей и тенденций их динамики и составляет предмет исследования в диссертации.

Для достижения цели исследования и решения указанных задач Использовались методы системного анализа, теории вероятностей и математической статистики (в частности, регрессионного, корреляционного и факторного анализа), теории производственных функций.

Научная новизна результатов исследований, выполненных в диссертации, заключается в следующем:

1. Проанализированы системные аспекты построения математических моделей в соответствии с целями их создания и использования. Принципы реализации особенностей математического моделирования и исследования его точности рассмотрены с учетом особенностей объекта моделирования: соотношения его детерминированных и стохастических свойств, эволюционных участков развития и скачков, связанных с изменением организационно-функциональной структуры системы. Предложена классификация способов оценки адекватности моделей, как по единичным, так и по обобщенным показателям с изложением процедуры вычислений.

2. 'Показана возможность использования двухфакторной производственной функции Кобба-Дугласа в задачах моделирования и прогнозирования деятельности транспортных предприятий. Предложена модификация указанной функции, позволяющая в некоторых случаях дать более точную характеристику объекта управления.

3. Предложен метод разбиения временного ряда на участки с различными характеристиками исследуемого процесса, основанный на выделении низкочастотной составляющей и исследовании знака локального выборочного коэффициента корреляции.

4. Разработан метод структуризации и формализации исходных и прогнозируемых данных об объекте управления с целью обеспечения их надлежащего учета при решении задач математического моделирования и прогнозирования с использованием средств вычислительной техники.

5. Предложена имитационная модель деятельности транспортного предприятия с включением блока экспертных решений. Имитационные расчеты осуществляются по мере того, как возникают изменения в нормативной базе или иные изменения внешней среды. Такой режим применения модели позволит, не повышая требований к точности описания объекта, своевременно адаптировать выработанный стратегический план к новым условиям.

6. Предложено методическое обеспечение факторного исследования по методу главных компонент с целью выделения из временного ряда групп точек, сходных по отдельным признакам.

Научная значимость диссертации заключается в разработке и совершенствовании математических методов качественного анализа показателей для реализации задач автоматизации управления транспортными предприятиями. Разработанное математическое обеспечение доведено до методических рекомендаций и алгоритмов и использовано в исследовательских разработках по повышению качества и эффективности автоматизированных систем поддержки решений. Предложенные в работе методы определения тенденций развития предприятий, сформулированные применительно к транспортным предприятиям, носят качественный характер. Локальный подход для периодизации временного ряда может быть использован для любых временных рядов, стабильно растущих во времени и имеющих доминирующую регулярную составляющую.

Предложенный подход к анализу результатов факторных исследований по методу главных компонент не имеет ограничений по использованиювозможность его применения определяется только спецификой показателей, отражающей особенности каждого конкретного объекта управления.

Заключение

.

Научно-технический прогресс, повсеместная автоматизация производственных процессов заставляют организаторов производства искать современный действенный инструмент анализа и прогнозирования больших систем, задачи управления которыми носят нетривиальный характер и требуют разработки новых подходов и методов.

В настоящее время управление производством должно обеспечивать выбор и осуществление только оптимальных решений, так как цена потенциального ущерба от принятия необоснованных решений сегодня многократно возрастает. В транспортных системах, подверженных влиянию большого числа случайных факторов, для принятия качественных решений недостаточно применения обычных методов анализа: нужен научный фундамент всей системы планирования и оперативного управления, требуются современные методы исследования и моделирования транспортного процесса, методы системного анализа и синтеза методов управления.

Повышение эффективности реализации процессов управления транспортными предприятиями требует широкого внедрения автоматизированных систем управления, создаваемых с применением математических методов и средств вычислительной техники. Необходимость анализа большого объема информации, реализуемой в виде технико-экономических показателей, определяет требования к разработке и совершенствованию средств и методов описания данных, направленных, в первую очередь, на повышение эффективности применения средств вычислительной техники в области управления. При этом основными критериями эффективности функционирования автоматизированных систем управления являются оперативность, точность н полнота информации, которая предоставляется пользователям для принятия управляющих решений.

Исследования по данной проблематике, выполненные в диссертационной работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы и результаты.

1. Выполнено моделирование свойств изучаемого процесса в виде производственной функции. Успех моделирования во многом зависит от того, насколько используемая функция адекватна изучаемому процессу. В ходе экспериментального исследования подтверждено, что точность математической модели как мера статистической близости выходного показателя и его фактической величины — необходимое, но еще не достаточное условие адекватности модели.

В работе установлено, что вариации параметров модели не всегда оказывают существенное влияние на точность отражений в ней характеристик изучаемого процесса. Факт такой устойчивости в каждом конкретном случае подлежит внимательному изучениюего подтверждение способствует формированию компактной модели, адекватно воспроизводящей поведение системы.

2. Обоснован метод качественного анализа показателей, используемый в системе управления предприятием. Показана возможность осуществления такого анализа на основе производственной функции Кобба-Дугласа или ее модификации, полученной в работе. Предложен и обоснован научный подход к разработке процедуры адаптации модели, содержащей производственную функцию, к новым условиям — последним тенденциям развития предприятия. Его сущность заключается в переоценке параметров модели через определенный период времени. Предлагаемый методический подход может быть исПользован для структурных подразделений различного уровня иерархии.

3. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены вопросы, касающиеся формирования исходных данных при построении математической модели. Предложен новый метод проведения периодизации динамического ряда, осровзшшй на выделении низкочастотной составляющей и анализе локального коэффй^ента корреляции. Рассмотрены особенности исследования Яременных рядов показателей транспортных предприятий, оказывающие большое влияние на метода их изучения и выделения тренда.

На основе анализа взаимосвязей между показателями сделаны выводы о точности моделирования и устойчивости параметров модели в различные периоды развития системы, а также о связи знака локального выборочного коэффициента корреляции с устойчивостью параметров.

4. Способность системы управления адаптироваться в данных условиях проявляется в том, что в течение определенного промежутка времени она должна изучить действие неизвестного фактора. Предложен и апробирован на материале показателей работы транспортных предприятий метод оценки степени воздействия ведущих факторов, основанный на компонентном анализе. Показана возможность его использования в качестве дополнения к традиционным и локальным методам для выявления групп точек со сходной реакцией системы на действующие факторы, а также для определения эволюционных участков развития и скачков, связанных с изменением организационно-функциональной структуры системы. В отличие от традиционных методов, при таком подходе практически нет «устаревших» данных. Являясь частью автоматизированной системы поддержки решений, он поможет восполнить недостаток информации при определении тенденций развития предприятий и степени риска прогнозов.

5. В диссертации разработана методика структуризации и формализации априорных нестатистических данных, источником которых являются знания пользователя — эксперта о характере функционирования объекта исследования, для их использования при составлении прогнозов в режиме диалога «экспертЭВМ» .

6. Методика прогнозирования временных рядов, традиционно используемая в отраслевых исследованиях, дополнена методом факторного прогноза показателей, основанном на сочетании адаптивного и экспертного подходов.

7. В работе предложена имитационная динамическая модель деятельности транспортного предприятия, включающая оценку и прогноз динамики важнейших технико-экономических показателей, и блок экспертных решений.

Экспертная система включает комплекс аналитических процедур, направленных на анализ и обобщение полученной информации. Такая модель является инструментом поддержки стратегических решений, позволяющим учитывать изменения в нормативной базе и внешней среде.

Круг обсужденных ранее вопросов имеет важное значение для моделирования процессов развития систем и автоматизации выработки управленческих решений. Полученные выводы и результаты по оценке количественных и качественных закономерностей процессов функционирования транспортных систем, проведение структурного, алгоритмического и параметрического синтеза, могут быть использованы при проектировании информационных подсистем различного уровня.