Методика поддержки работоспособности автоматизированной системы управления предприятием с распределенной структурой на основе иерархического кластерного анализа

Актуальность темы

.

Повышение нестабильности внешней среды и жесткая конкуренция на рынках сбыта, необходимость достаточно быстрой смены (в среднем 5 лет) поколений производимой продукции на промышленных предприятиях, развитие информационных технологий, оказывающих существенное влияние на все стадии производства и реализации продукции, приводят к дальнейшим поискам эффективных форм организации автоматизированных систем управления предприятиями (АСУП) с распределенной структурой. Распределенная организация АСУГ1 оказалась ответом на усложнившиеся условия функционирования современного производства при создании объединений, корпораций, консорциумов в период радикальных реформ.

Создание методики поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой, обеспечивающей бесперебойное функционирование работы промышленных предприятий, в которых установлены рыночные отношения между основными звеньями, начиная от поставок сырья и кончая реализацией готовой продукции, является, несомненно, актуальной задачей.

Управление большими производственными предприятиями сегодня уже немыслимо без поддержки специального ПО (программное обеспечение), позволяющего руководству принимать правильные и своевременные решения. Сбои в работе управленческого ПО могут привести к неправильным решениям, которые часто являются дорогостоящими. В этой связи бесперебойное функционирование АСУП приобретает первостепенное значение, которое зависит от многих факторов. Это и нарушение связи между абонентами, и ошибки пользователей при работе, и многие другие факторы. Нарушение функционирования хотя бы одного из режимов работы АСУП приводит к возникновению нештатной ситуации.

Борьба с нештатными ситуациями — сложный технологический процесс, в котором задействованы подразделения квалифицированных специалистов, которые должны быстро локализовать нештатные ситуации и принимать решения, но их устранению.

Крупнейшие производители программных продуктов, например, такие как Microsoft и IBM, создали множество средств, позволяющих приводить работу АСУП в работоспособное состояние. Эти дорогостоящие средства предназначены для весьма опытных и квалифицированных специалистов, что совсем не снижает стоимость эксплуатации АСУП.

Описанные параметры деятельности по устранению нештатных ситуаций предъявляют к экспертам высокие интеллектуальные и скоростные 5 требования. Наличие узкой специализации и неизбежная текучесть кадров среди экспертов проводит к заметному снижению качества обслуживания АСУП в случае отсутствия нужного специалиста.

Для того чтобы поддерживать работоспособность АСУП необходимо обеспечивать качество процесса коррекции нештатных ситуаций на должном уровне. А это требует создания методики поддержки работоспособности АСУ11 с распределенной структурой на основе обобщения опыта экспертов.

В связи со сложностью создания данной методики необходима формальная модель, на основе которой строится реально действующее программное обеспечение, которое в свою очередь повысило бы качество работы служб поддержки.

Цель и основные задачи исследования.

Целью работы является повышение работоспособности АСУП за счет разработки и использования методики поддержки принятия решений по коррекции нештатных ситуаций на основе иерархического кластерного анализа в условиях неопределенности.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

•Анализ подходов к диагностике обеспечивающих подсистем АСУП, анализ возможных организационно-технических мероприятий процесса функционирования АСУП и основных подходов к оперативному принятию решений при устранении отказов и сбоев в ее работе.

• Разработка математической модели процесса принятия решений по коррекции нештатной ситуации в АСУП.

• Разработка алгоритмов и информационного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

• Разработка методики, обеспечивающей автоматизацию процесса поддержки работоспособности АСУП с распределенной структурой.

• Создание алгоритма управления нештатными ситуациями.

• Практическое применение предложенной методики путем внедрения программного обеспечения системы поддержки работоспособности АСУП.

Методы исследования.

Теоретические исследования выполнены с использованием методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики, когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Научная новизна.

В рамках диссертационной работы были получены следующие результаты: 6 1.

• Разработаны математическая модель и алгоритм управления нештатными ситуациями в АСУГ1, основанные на принципах иерархического кластерного анализа и метрических свойствах теории множеств в условиях неопределенности.

• Впервые разработан алгоритм решения сетевых проблем АСУП на основе иерархического кластерного анализа с использованием методов когнитивной графики.

• Создана методика выявления, определения и устранения последствий сбоев и отказов в работе АСУП, позволяющая не только контролировать работу, но и улучшать ее характеристики. Применение этой методики позволит значительно сократить время восстановления работоспособности АСУГ1 с распределенной структурой в условиях неопределенности.

Теоретическая значимость Теоретическая значимость исследования обоснована тем, что:

•доказана возможность коррекции нештатных ситуаций в АСУП с использованием математического аппарата кластерного анализа;

• проведена модернизация существующих алгоритмов коррекции нештатных ситуаций АСУП за счет введения переменных, описывающих процесс коррекции нештатных ситуаций. На основе этих переменных вводится понятия прецедента, основного источника информации о нештатных ситуациях в АСУП и способах их коррекции, и справочника прецедентов, объединяющего все известные прецеденты;

•доказана строгая иерархия на конечном множестве соответствии с положениями кластерного анализа;

• разработана математическая модель базы знаний коррекции нештатных ситуаций на основе системных переменных и множества правил, заданных имеющимися прецедентами. Важной особенностью определенной базы знаний является наличие метрических отношений между прецедентами и правилами, находящимися в ней.

Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в т. ч. методов кластерного анализа, системного анализа, математической статистики, когнитивной графики, теории управления, математического моделирования, теории вероятностей.

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики.

Значение полученных соискателем результатов исследования для практики подтверждается тем, что:

• разработан и внедрен в промышленную эксплуатацию пакет прикладных программ, использование которого позволило качественно повысить эффективность управления нештатными ситуациями;

•определены пределы и описаны перспективы применения предлагаемых методов принятия решений в АСУП;

•даны методические рекомендации по совершенствованию и модернизации коррекции нештатных ситуаций в АСУП, что привело к минимизации временных и финансовых затрат, связанных с восстановлением АСУП после сбоев в работе за счет автоматизации принятия адекватных решений;

• проведена апробация предлагаемой методики коррекции нештатных ситуаций, которая повысила надежность работы сети предприятия.

В конечном итоге, предлагается комплексной подход с применением инструментальных исследований, обеспечивающий эффективное решение задачи управления нештатными ситуациями в АСУП.

Оценка достоверности результатов исследования.

Оценка достоверности исследования выявила:

•экспериментальные результаты получены с использованием лицензионного программного обеспечения с применением разработанного программного модуля на различных аппаратных платформах;

•теоретические изыскания построены на известных методах теории множеств, иерархического кластерного анализа, когнитивной графики;

• идея базируется на проведенном анализе практики и обобщении передового опыта построения АСУП;

• использованы современные средства и методики проведения исследований, доказывающие обоснованность применения разработанного метода принятия решений по коррекции нештатных ситуаций в АСУП ввиду согласованности данных эксперимента и научных выводов.

Личный вклад автора.

Личный вклад автора состоит в:

• проведении анализа существующих способов разработки модели коррекции нештатных ситуаций;

• непосредственной разработке алгоритма на основе метода иерархического кластерного анализа при принятии решений о нивелировании нештатных ситуаций в сети предприятия;

•разработке алгоритма поиска решений при коррекции нештатной ситуации;

• разработке алгори тма актуализации базы знаний;

•личном участии во внедрении разработанного пакета прикладных программ в эксплуатацию АСУП;

• непосредственной подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Реал иза ц и я рсзул ьтатов.

Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения, которое используется для диагностики АСУП с распределенной структурой.

Методы диагностики АСУП и решения сетевых проблем использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 23.01.01 на кафедре «Персональные компьютеры и сети» Московского государственного университета приборостроения и информатики, а также использованы при эксплуатации корпоративной сети ЗАО «РДТИХ» и КБ «ЭлектронСистема».

Достоверность.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается: использованием понятий и выводов теории множеств и кластерного анализарезультатами математического моделирования предложенных методов на ПЭВМразработкой действующих программных средств, подтвержденных свидетельствами об официальной регистрацииапробацией предложенных методик расчета для конкретных случаевналичием актов внедрения результатов диссертационной работы.

Апробация работы.

Научные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях: XV Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» Москва, МГУ ПИ 17−19 апреля 2012 года, международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований '2008» (Украина, Одесса), международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии ПаВТ'2009» (Россия, г. Москва), международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Россия, г. Воронеж), 2008.

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе, 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2 012 618 863, от 29.04.2012.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 2-х приложений.

Выводы по третьей главе.

1. Были выделены этапы создания информационной базы знаний. Составлены семантики множеств операций сети, возможных нештатных ситуациях, гипотез по устранению неполадок и действий администратора.

2. Выполнено разбиение множеств в соответствии с принципами строгой иерархии. Сформированы кластерные классификаторы, описывающие процесс коррекции.

3. Сделан вывод, что сформированные кластерные классификаторы полностью соответствуют математической модели коррекции нештатной ситуации, выведенной во второй главе, и, следовательно, для накопления базы знаний можно применить теоретические метода второй главы.

4. Администратору АСУГ1 даны когнитивные средства, которые визуально иллюстрируют структуру кластерного классификатора и позволяют либо сразу увидеть решение, либо получить подсказку для его нахождения. Также визуальная структура кластерных классификаторов помогает при построении корректной структуры кластеров. Построены диаграммы парных расстояний в классификаторах сообщений о нештатных ситуациях.

Глава 4. Практическая реализация разработанной методики.

Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения, которое используется для принятия решений управления отказами в распределенных АСУП.

Методы диагностики АСУП и решения сетевых проблем использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности 23.01.01 на кафедре «Персональные компьютеры и сети» Московского государственного университета приборостроения и информатики и использованы при эксплуатации корпоративной сети ЗАО «РДТЕХ» и КБ «ЭлектронСистема».

4.1. Программное обеспечение системы поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП.

Создание сложных программных средств и информационно-вычислительных комплексов в основном ведется па основе объектно-ориентированного программирования (ООП), что позволяет сократить временные затраты и упростить процесс создания таких систем. Программное обеспечение написано на языке Object Pacsal В среде Delphi 7.

В программе используется встроенная СУБД SQLite. Классические СУБД, такие как MySQL (а так же MS SQL, Oracle, PostgreeSQL) состоят из отдельного сервера, поддерживающего работу базы данных и прослушивающих определённый порт, на предмет обращения клиентов. В качестве клиента может выступать, в том числе и расширение РНР, реализующего интерфейс, с помощью которого осуществляются запросы к базе. Движок SQLite и интерфейс к ней реализованы в одной библиотеке, что увеличивает скорость выполнения запросов.

4.2 Основные задачи, реализуемые ПО системы поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП.

Реализованное на основе теоретических концепций диссертационного исследования ПО интеллектуальной поддержки принятия решений на основе иерархического кластерного анализа выполняет следующие задачи:

1) Иерархическое разбиение множеств;

2) Создание кластерных классификаторов;

3) Ввод матричных логических функций;

4) Определение метрических расстояний между элементами базы знаний.

5) Наполнение информационной базы знаний;

6) Поиск гипотезы и корректирующих действий.

4.3. Структура и принципы функционирования ПО системы поддержки принятия решений управления отказами в АСУП.

110 системы включает в себя следующие элементы (рисунок 4.1):

• подсистема создания информационной базы знаний;

• подсистема поиска.

Каждая подсистема отвечает за собственные задачи, которые были рассмотрены в предыдущих главах.

Программа может быть установлена на компьютере (сервере) администратора сети.

Рис. 4.1. — Схема функционирования системы поддержки принятия решений управления отказами в АСУП.

Сначала создается информационная база знаний на основе теории иерархического кластерного анализа и теории множеств. При обнаружении.

НС в АСУП данных на основании правил поиска происходит принятие решения для коррекции НС.

Подсистема создания информационной базы знаний.

Вышеуказанная подсистема выполняет следующий список задач:

• ввод множеств Б, УД,(2;

• иерархическое разбиение множеств;

• создание кластерных классификаторов;

• ввод матричных логических функций;

• определение метрических расстояний;

• наполнение базы знаний. Подсистема поиска.

11одсистема поиска выполняет следующий список задач:

• идентификация нештатной ситуации в множестве «V информационной базы;

• выбор гипотезы по ближайшему расстоянию в множестве «С информационной базы;

• выбор корректирующих действий по ближайшему расстоянию в множестве 7>С информационной базы.

Данная подсистема должна производить поиск в информационной базе знаний гипотез и корректирующих действий, после выполнения которых, сеть возвращает ся в работоспособное состояние. Поиск гипотез и корректирующих дейст вий будет продолжаться до тех, пока не будут проверены все гипотезы в базе знаний, относящиеся к данной НС и операции, при которой она произошла. Если и после этого НС сохранилась, то базу знаний следует наполнить новыми фактами.

Использование принципов и методов объектно-ориентированного профаммировапия способствовало значительному сокращению времени на создание и отладку комплекса.

4.4 Методика системы поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП.

Назначение методики. Уменьшение времени восстановления АСУП после сбоев в работе за счет автоматизации поддержки процесса обеспечения работоспособности сети предприятия с помощью создания методики, описывающей процесс функционирования сети передачи данных, процесс накопления информации по описанию нештатных ситуаций, гипотезы о причинах возникновения нештатной ситуации и поиска рекомендаций по их коррекции, и обеспечивающей высокую обоснованность и адекватност ь принимаемых решений в условиях i ieoi феделеш юсти.

Ограничения и допущения. Разработанная методика и программное обеспечение позволяет работать с нештатными ситуациями, возникающими в следующих областях:

1. Вход в сеть.

2. Установка связи между компьютерами.

3. Обмен данными по сети.

4. Служба DNS-сервера.

5. Работа с Active Directory.

6. Служба DHCP-сервера.

7. Назначение или изменение разрешений NTFS на доступ к файлам/папкам.

8. Использование почты.

9. Расширение сети через коммутаторы.

10. Подключение к сети Интернет.

Данное ограничение было установлено специалистами служб поддержки пользователей и администрирования сети как наиболее частые области, в которых возникают нештатные ситуации. Также, в данных областях имеется наиболее полная экспертиза и большое количество накопленных экспертных решений. Схематично методика представлена на Рис 4.2.

В начале работы производится сбор информации (блок 1) от групп поддержки пользователей, групп системного администрирования, экспертов, а также на форумах в виде перечня нештатных ситуаций, с оценкой частоты их возникновения, гипотезы о причинах их возникновения, а также перечень мер по устранению указанных нештатных ситуаций. Далее строится математическая модель на основе иерархического кластерного анализа (блок 2.1). Из собранной информации выделяются наиболее вероятностные нештатные ситуации, причины их возникновения, действия по коррекции нештатных ситуаций, формируются множества S, V, R, Q и на основании построенной математической модели формируются кластерные классификаторы (блок 2.2). Для кластерных классификаторов вводятся разрешающие состояния. Затем формируются кодовые множества и определяются абстрактная степень близости элементов классификаторов (блок 2.3).

Рис. 4.2 — Методика интеллектуальной поддержки принятия решений при коррекции НС в АСУП.

Информация, собранная на первом этапе, также используется для обеспечения функционирования ПО (блок 3), то есть формирования базы знаний соответствующих гипотез и решений (блок 3.1). Разработан алгоритм,.

140 осуществляющий поиск решения (блок 3.2). А также база знаний может пополняться новыми фактами, и для этого разработан алгоритм дополнения базы знаний (блок 3.3).

Реализация этапа отраженного блоком 4, обеспечивает возможность создания программного обеспечения, с помощью которого можно будет реализовать процедуры идентификации области возникновения нештатной ситуации, самой нештатной ситуации, а также поиска гипотез возникновения нештатной ситуации и решений по ее устранению.

На этапе 5 осуществляется разработка рекомендаций для практического использования данного ПО в рамках конкретной организации. Также на данном этапе возможна подготовка документации для обучения сотрудников применению разработанного ПО.

В качестве иллюстрации приводится среднестатистический пример использования разработанного программного обеспечения.

1. Получено обращение в службу поддержки о невозможности открытия сайта http://www.mgupi.ru/.

О http://www.mgupi.ru/ мед.

СО утжж.шдс.

С О www.mgupi.ru.

Рис. 4.3. — Возникновение нештатной ситуации.

2. На основании полученной информации определяется операция, при которой возникла нештатная ситуация — «Подключение к сети Интернет» и выбирается соответствующий пункт в интерфейсе пользователя:

Л Диагностика.

Диагностика Актуализации Обучение С правка.

Выберите операцию Подключение к сети Интернет «| Покаитъ асе отбки в> Утижты ].

Выбер

Ошибки с номерами 600,601,603,606,607,610,613,614,616,618,632,635,63:

Ошибки 611,612.

Появляется сообщение 'Vndowi находится в процессе подключения к Инте|.

О Ошибка 619.

Ошибка 604,605,608,609,615,620 Ошибка 633.

О Ошибка 720.

Ошибки 678,718,769. Удаленный компьютер не ответа" — г.

Рис. 4.4. — Работа программного обеспечения (определение типа НС).

Далее пользователь определяет нештатную ситуацию, соответствующую возникшей ошибке из предложенных системой, и после этого получает набор гипотез (одна или несколько) по устранения данной НС. Рядом с каждым решением указано процентное отношение успешности применения данного решения при устранении НС.

I д i в мачГ.

Выберите операцию.

Подключение к сета Интернет — | «I.

Ошибки с моиерани 600, 601. 603, 606, 607, 610, 613,.

Утнкш ].

Возможно это иэ-за т 1 Необходимо исправить ошибка ввода пароля (имя, тип протокола СНЯ1И и др.) Ье р"1100%.

Рис. 4.5. — Работа программного обеспечения (вывод гипотезы и решения).

Данный вариант подразумевает обращение пользователя в службу поддержки.

Апробация данной работы показала результаты, графически представленные на Рис. 4.3.

До внедрения.

После внедрения.

Время реакции на НС Кол-во обращений за консультациями.

Рис. 4.6. — Результаты апробации программного обеспечения.

• Время реакции на устранение нештатной ситуации снизилось в среднем на 15%. Наибольшее ускорение работы было достигнуто в работе службы поддержки, где происходит общение с пользователем. При возникновении нештатных ситуаций в областях, не обслуживаемых системами автоматического мониторинга, время устранения нештатной ситуации сокращалось на 15−20%.

• Количество обращений переходящих от дежурной смены службы поддержки к высококвалифицированным специалистам сократилось более чем на 30%.

В целом, было показано, что дальнейшее развитие данного программного комплекса может значительно сократить как финансовые, так и временные издержки, связанные с работой служб поддержки и эксплуатации сети предприяия.

Заключение

.

1. Проведен анализ существующих методов поддержания АСУП в работоспособном состоянии. Это позволило определить направление исследований по созданию математических и программных методов, сокращающих время простоя сети предприятия.

2. Определены основные характеристики, описывающие процесс функционирования АСУП и их связь с этапами проведения работ по восстановлению работоспособности сети предприятия.

3. На основе кластерного анализа и теории множеств разработаны математические модели для анализа причин сбоев работы АСУП.

4. Разработана методика выполнения работ по приведению АСУП в работоспособное состояние.

5. Показана возможность применения разработанных методов для использования в работе администраторов АСУП.

Результаты диссертации могут быть использованы не только в службах поддержки АСУП, но и в любой сложной информационной системе, требующей сопровождения.