Принципы и механизмы самоорганизации в системах автоматизированного управления

Актуальность темы

исследования. Современный этап развития экономики России, ее регионов и отраслей характеризуется переходом на новые принципы хозяйствования, призванные обеспечить экономическую безопасность страны и ее устойчивый экономический рост. Железнодорожная отрасль не является в этом ряду исключением. Ранее существовавшие, жестко регламентированные организационные структуры не обеспечивали создание рационально и целесообразно функционирующих систем. Они не отражали способностей системы приспосабливаться к изменяющимся условиям среды. Вместе с тем новые, отработанные схемы создания систем, их функционирования (хозяйствования и управления) в отрасли не сформировались. Поиск средств и методов, способствующих обоснованному принятию оптимальных решений по реформированию отрасли, продолжается. Эти механизмы, очевидно, будут актуальны и в будущем, так как парадигма рыночного развития хозяйства по определению предполагает постоянный поиск эффективных решений.

Одна из базовых стратегий, которая может быть основополагающей для создания качественно иных, нетрадиционных структур управленияуправление на основе самоорганизации. Уже существует ряд исследований в данном направлении, включающих в себя: разработку планетарной модели преобразования экономической структуры отраслимоделирование самоорганизующейся схемы функционирования предприятия и др.

Рост масштабов работ по компьютеризации технологического производства и интегрированного управления, как сетью технологических процессов, так и работой железнодорожного транспорта в целом, приводит к необходимости повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации. Если мы хотим понять и использовать в автоматизированных системах управления принципы жизнеспособности, лучше всего в качестве модели исследования выбрать системы, известные как жизнеспособные и самоорганизующиеся.

При разработке современных АСУЖТ также необходимо уделять должное внимание человеческой составляющей этих систем. В настоящее время отсутствуют исследования, рассматривающие взаимоотношения человека и техники с позиций самоорганизации, позволяющие: спрогнозировать и выявить природу конфликта между человеком и автоматизированной системой управленияпроанализировать возможные трудности и пути их преодоления при внедрении АСУисследовать отношение персонала, участвующего в организационно-технологических процессах, к степени автоматизации этих процессоввыбрать оптимальный вариант комплектации АСУ.

Все вышесказанное обуславливает необходимость научно обоснованного подхода к решению указанных проблем и доказывает актуальность исследования причин возникновения самоорганизации и возможности их использования для решения вышеперечисленных проблем.

Степень разработанности проблемы. Вопросам, определяющим тему исследования, посвящена обширная научная и методическая литература. Теоретическую основу диссертационной работы составляют фундаментальные исследования отечественных и зарубежных авторов в области самоорганизации и искусственного интеллекта С. Вира, В. И. Варшавского, Н. Винера, Г. В. Гореловой, А. Г. Ивахненко, Ю. Л. Климонтовича, С. М. Ковалева,.

A.А. Колесникова, В. М. Курейчика, И. Пригожина, Дж. Саридиса, В. М. Сайя, Г. Хакена, У. Р. Эшби.

Наиболее существенные результаты в области методологии и технологии управления транспортными системами получили В. И. Апатцев, JI.A. Баранов, В. А. Буянов, А. В. Горелик, П. С. Грунтов, В. Н. Иванченко,.

B.Е. Павлов, Г. С. Ратин, Е. А. Сотников, Е. М. Тишкин, Н. М. Фонарев, В. И. Шелухин, А. В. Шилейко и др.

Значительный вклад в создание и развитие теории и практики средств железнодорожной автоматики внесли известные ученые: К. А. Бочков,.

A.M. Брылев, И. Е. Дмитриенко, И. Д. Долгий, В. Е. Ефимов, Ю. А. Кравцов,.

B.М. Лисенков, И. М. Кокурин, Р. А. Косилов, А. С. Переборов, A.M. Дудниченко, Е. М. Шафит.

Ряд, проведенных в работе, исследований опирался на труды Г. И. Белявского, А. Н. Гуды, Н. Н. Лябаха, А. И. Орлова, Е. М. Ульяницкого и др.

В исследованиях Г. Хакена, основоположника синергетики, затронуты проблемы поиска общих закономерностей развития сложных систем, способных к самоорганизации. Работы Ю. Л. Климонтовича, И. Пригожина, А. П. Руденко, И. Стенгерса посвящены изучению упорядоченных структур, спонтанно возникающих в диссипативных средах при значительном отклонении от равновесия. Вопросы, относящиеся к теории катастроф, являются областью интересов И. А. Евина и А. И. Яблонского. Труды Д. Годановой и Ф. Чизека посвящены изучению процессов биологической эволюции и рассматриваются ими как саморегулирующиеся и самоорганизующиеся процессы. Исследования В. М. Курейчика внесли большой вклад в развитие эволюционных, синергетических и гомеостатических стратегий. Областью его интересов являются искусственный интеллект, генетические алгоритмы и эволюционное программирование. Предметом исследования В. Эбелинга являются физические основы спонтанного формирования структуры в молекулярной системе. Работы У. Р. Эшби посвящены гомеостатическим системам, в частности медицинской гомеостатике и искусственному интеллекту. Примером самоорганизующегося управления, которое изменяется по мере накопления информации и применяется с целью улучшения качества работы системы, являются работы Дж. Саридиса в области адаптивного управления в системах с неполной априорной информацией об управляемом процессе. Областью интересов А. А. Колесникова является управление техническими системами на основе самоорганизации, заключающееся в дооснащении таких систем регуляторами, которые становятся частью самих систем и позволяют приводить систему в нужные для субъекта управления состояния. Исследования А. Г. Ивахненко и И. А. Мюллера посвящены вопросам самоорганизующегося моделирования. В частности разработке самоорганизующихся алгоритмов создания моделей для целей долгосрочного прогнозирования и идентификации объектов. Труды В. М. Сайя посвящены управлению железнодорожной отраслью, в частности описанию взаимодействия ее предприятий на основе планетарной модели. Интерес представляют работы В. А. Лефевра на тему теоретико-игрового подхода исследования конфликтных ситуаций и рефлексивного управления. Н. Винер писал о взаимоотношениях машины с живым существом, о самообучающихся и организующихся системах, управление которыми должно осуществляться в форме игры с определенными правилами и критерием эффективности, в качестве которого выступает конечный выигрыш, достигаемый в соответствии с этими правилами. Огромную роль в написании данной диссертационной работы сыграли труды С. Вира и В. И. Варшавского, основу исследований которых составляют кибернетические методы управления в экономико-социальных и технических системах. Проводимая ими аналогия между искусственным миром и миром живой природы породила новые принципы, отличные от обычных схем управления. Интересны работы Варшавского в области децентрализованного управления, когда сложные процессы в системе развиваются не за счет централизованных воздействий, а за счет локальных взаимодействий ее элементов.

В данной диссертационной работе использовалась литература, посвященная методам математического моделирования. Эти вопросы (касающиеся диссертационного исследования) рассмотрены в трудах и монографиях А. Н. Гуды, Г. И. Белявского, Л. С. Берштейна.

Затронутые в данной диссертационной работе вопросы, относящиеся к области проксемики-теории, описывающей эффекты взаимодействия пространств, образуемых индивидами и их сообществами, представлены в трудах Э. Холла, Дж. Фаста. Однако, в указанных работах отсутствует математический аппарат, позволяющий учесть и описать эффекты взаимодействия индивидов и рассматривается лишь система понятий, а также актуализируется собственно проблема исследования.

Вместе с тем в настоящее время не существует единого мнения относительно того, что понимается под самоорганизацией в организационно-технологических системах железнодорожного транспорта и каковы причины ее возникновения. Управление на основе самоорганизации не нашло еще своего широкого применения на практике. В частности недостаточно рассмотрены вышеописанные вопросы применительно к управлению железнодорожным транспортом, что и определило цель и задачи диссертационного исследования.

Целью диссертационной работы является развитие новых подходов к решению задач в области автоматизации управления сложными системами, включая системы на железнодорожном транспорте, на основе механизмов самоорганизации и адаптации.

В соответствии с данной целью были поставлены следующие теоретические и практические задачи исследования.

1. Выбор математического аппарата исследования самоорганизующихся систем: построение признакового пространства взаимодействия элементов системы, расчет меры близости.

2. Поиск моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления.

3. Разработка методов оптимизации структуры АСУ на основе моделей партнерского взаимодействия составляющих их элементов и пространств.

4. Реализация разработанных алгоритмов в виде комплекса объектно-ориентированных программ, моделирующих организациойно-технологические системы железнодорожного транспорта. Анализ результатов исследования.

5. Применение результатов теоретических и экспериментальных исследований для решения ряда практических задач в области автоматизации управления сложными системами с целью обоснования практической пригодности предлагаемых методов и алгоритмов.

Объектом исследования данной диссертационной работы являются процессы в сложных организационно-технологических объектах ж. д. транспорта и их автоматизированных системах управления, отличающихся:

— недостаточной формализуемостью;

— сложной структурой связей и отношений;

— наличием неизвестных и трудноучитываемых факторов;

— многокритериалыюстью функционирования;

— нестационарностью процессов, происходящих в системе.

Примерами объектов, соответствующих вышеуказанным условиям, являются технико-технологические комплексы транспортного конвейера страны, а также коллективы предприятий, сами эти предприятия, формирующие организм отрасли, а также сами отрасли, составляющие экономику страны в целом. В частности объектами исследования являются: единая автоматизированная система управления ж. д. транспортомкомплекс горочный микропроцессорный (КГМ), входящий в состав системы автоматизированного управления сортировочным процессом (КСАУ СП), предназначенный для автоматизации управления технологическими процессами расформирования составов на сортировочных горках различной мощности и степени механизацииа также высшие учебные заведения (ВУЗы), подготавливающие кадры для работы в железнодорожной отрасли, в частности РГУПС.

Предмет исследования — методы моделирования трудно формализуемых технологических процессов в сложных организационно-технических системах и методы автоматизации управления данными процессами на основе механизмов самоорганизации и адаптации.

Работа выполнена в рамках паспорта специальности 05.13.06. — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте)» по следующим областям исследования:

3. Методология, научные основы и формализованные методы построения автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП) и производствами (АСУП), а также технической подготовкой производства (АСТПП) и т. д.

13. Теоретические основы и прикладные методы анализа и повышения эффективности, надежности и живучести АСУ на этапах их разработки, внедрения и эксплуатации.

Методы исследования основываются на применении теории нечетких множеств, методов экспертных оценок, теории устойчивости и адаптации (С. Бира), имитационного моделирования, компьютерных экспериментов с моделями.

В качестве инструментально-методического аппарата были использованы визуальная среда программирования Delphi 7.0., пакет прикладных математических программ Mathcad 2001 Professional, редактор электронных таблиц Microsoft Excel 2002.

Информационно-эмпирическая база исследования. При проведении диссертационного исследования автором использованы сведения и данные из монографий и статей отечественных и зарубежных исследователей, материалов научно-практических конференций по тематике синергетика и самоорганизация, информационные ресурсы Интранет ОАО «РЖД» и Интернет, техническая документация к проектам департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД»: «Комплекс горочный микропроцессорный», «Горочная автоматическая централизация микропроцессорная с ведением накопления вагонов в сортировочном парке (ГАЦ МН)», «Разработка программно-аппаратного модуля УУПТ плавного управления тормозными средствами», а также «Внедрение системы поддержки принятия решений для повышения надежности и безопасности функционирования средств ЖАТ на автоматизированных сортировочных горках» и др.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1. Разработан новый класс планетарных моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления.

2. Предложен метод оптимизации структуры АСУ на основе «полевой» модели партнерского взаимодействия составляющих ее элементов и пространств.

3. Разработана методика управления процессами интеграции АСУЖТ, в основу которой заложены принципы организационной кибернетики С. Вира.

4. В работе предложена автоматизированная система управления качеством учебного процесса транспортного ВУЗа, базирующаяся на моделировании внутригрупповых взаимоотношений в целях формирования у участников заданного поведения, посредством их обучения наиболее успешной для себя тактики, и достижения эффекта взаимного приспособления.

Научная новизна работы заключается в развитии теории и методов автоматизации управления сложными технологическими процессами в условиях априорной неопределенности и изменчивости свойств исследуемых объектов на основе использования нового класса моделей, воспроизводящих механизмы принятия решений в естественных системах:

— новый метод оптимизации структур автоматизированных систем управления на основе моделей партнерского взаимодействия составляющих их элементов и пространств;

— новый класс планетарных моделей, описывающих процессы группового взаимодействия в сложных организационно-технических системах, предназначенный для исследования механизмов возникновения и развития самоорганизации с целью совершенствования методов и алгоритмов управления;

— методы управления процессами интеграции специализированных информационных систем, включая АСУ ЖТ и АСУ ВУЗа, в единую систему в условиях многокритериальное&tradeи наличия множества «НЕ-факторов».

Теоретическая и практическая значимость диссертационного исследования обусловлена возможностью использования его результатов при разработке новых классов автоматизированных информационно-управляющих систем, основанных на принципах функционирования естественных систем управления и предназначенных для автоматизации управления плохо формализуемыми объектами, свойства которых априори недостаточно известны или изменяются в процессе функционирования.

В работе получены следующие практические результаты:

— разработан комплекс имитационных, диагностирующих программ, моделирующих процессы самоорганизации в исследуемых системах;

— предложена схема интеграции АСУЖТ в единую систему сбора, обработки данных и оперативного управления ж. д. транспортом;

— в ходе исследования системы автоматизированного управления сортировочным процессом выявлен вариант комплектации микропроцессорного горочного комплекса, отвечающий требованиям «жизнеспособности», с позиций организационной кибернетики С. Вира;

— проанализирован возможный конфликт человек-техника при внедрении КГМ, выделен наиболее приемлемый с этой точки зрения вариант комплектации комплекса, обоснована возможность оптимизации количества персонала, ответственного за процессы расформирования составов в ручном режиме;

— путем исследования информационных и управляющих потоков разработан механизм самоорганизации учебного процесса транспортного ВУЗа, являющий собой теоретическую основу для создания автоматизированной системы управления качеством учебного процесса;

— в рамках процесса интеграции информационных систем высших учебных заведений железнодорожной направленности и АСУЖТ, в целях повышения качества обучения специалистов железнодорожного транспорта, предложен способ включения в состав АСУ УЗ РГУПС подсистемы управления качеством учебного процесса.

Достоверность полученных результатов исследования подтверждается имитационным моделированием, апробацией на научных семинарах и конференциях, результатами внедрения научных исследований и рядом публикаций.

Апробация и внедрение результатов исследования. Основные положения и научные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт 2004» (г. Ростов-на-Дону, 2004 г.), на шестой международной Петрозаводской конференции «Вероятностные методы в дискретной математике» (г. Петрозаводск, 2004 г.), на Всероссийской научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава (г. Ростов-на-Дону, 2005 г.), на шестом Всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2005 г.), на Международной научно-практической Интернет-конференции «Преподаватель высшей школы в XXI веке» (г. Ростов-на-Дону, 2006 г.). Результаты диссертационной работы были одобрены грантом РГУПС (2006г.), свидетельством об отраслевой регистрации разработки в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ» (2006г.).

Материалы диссертации использовались автором при его участии в программе фундаментальных и поисковых НИР за 2004 год по теме № 770/15 «Автоматизация железнодорожных комплексов (сортировочных станций): проблемы моделирования и управления».

Результаты диссертации были внедрены в следующем.

1. При разработке рекомендаций по совершенствованию деятельности системы автоматизированного управления сортировочным процессом (КСАУ СП).

2. В рамках совершенствования, разрабатываемой в Ростовском филиале ВНИИАС, подсистемы поддержки принятия решений для оперативно-диспетчерского и эксплуатационного персонала автоматизированной сортировочной горки (СППР КДК СУ), входящей в состав КСАУ СП.

3. При подготовке вышеназванных отчетов НИР РГУПС.

4. В учебном процессе университета.

Акты о внедрении прилагаются.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 13 печатных работ общим объемом 5 печатных листов, лично автором 3,75 печатных листа. Список печатных работ включает 10 печатных работ без соавторов, 6 статей и 5 тезисов докладов на конференциях (из них в центральной печати 7), 1 методическое указание, свидетельство об отраслевой регистрации разработки в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 15 параграфов, объединенных в четыре главы, заключения, списка использованной литературы и приложения.

Список литературы

содержит 140 наименований библиографических источников.

4.4. Выводы.

1. Произведена адаптация самоорганизующейся пятиуровневой схемы управления С. Вира под специфику работы железнодорожного транспорта. Предложено ее использование в качестве теоретической основы процесса интеграции АСУЖТ в единую автоматизированную систему сбора, обработки данных и оперативного управления ж. д. т.

2. На основе анализа вариантов комплектации горочного комплекса установлено, что КГМ будет соответствовать требованиям пятиуровневой самоорганизующейся системе управления С. Вира только при условии своей полной комплектации — ГАЦ МН, АРС-УУПТ и КДК СУ ГАЦ (включающий в себя.

СППР КДК СУ). Данный вариант является оптимальным, что подтверждается исследованиями на основе «полевой» модели отношения рабочего персонала к степени автоматизации процесса производства (вариантам комплектации КГМ).

3. В целях повышения эффективности труда, посредством материального стимулирования и справедливого распределения заработной платы персонала, участвующего в процессе расформирования составов, в подсистеме интеллектуального анализа предложено реализовать функцию определения процентной «ценности» работников, обладающей методикой обработки экспертных данных, производящей приемлемый дележ выработанной продукции.

4. Предложено рассматривать управление учебным процессом ВУЗа как игру по разработанным правилам, направленным на формирование у участников заданного поведения посредством их обучения наиболее успешной для себя тактике и достижения эффекта взаимного приспособления.

5. В целях минимизации влияния субъективного человеческого фактора в процессе выработки управляющих решений о поощрении и наказании субъектов, участвующих в учебном процессе, предложено создание АСУ КУП, проектирование которой должно вестись на базе уже существующей АСУ УЗ РГУПС, чей состав и объем создает благоприятные условия для добавления разрабатываемой подсистемы.

7. При внедрении АСУ КУП необходимо предусмотреть переходный период от существующей системы отношений к новым методам поощрения и наказания, целью которого будет обучение участников учебного процесса «новым правилам игры». Переходный период также должен быть использован для корректировки правил и критериев эффективности (настройки системы). В этот период необходим особый регламент воздействия на студенческо-преподавательский состав, поощряющий достоверность информации и не допускающий классических мер наказания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ автоматизированных систем управления движения поездов выявил процесс их интеграции в единую автоматизированную систему сбора, обработки данных и оперативного управления ж. д. т. В качестве научной основы для создания этой системы и обеспечения ее устойчивой и эффективной работы целесообразно выбрать теорию самоорганизующихся систем, а именно адаптивный подход к пониманию явлений самоорганизации. В качестве структуры управления предложено использовать самоорганизующуюся пятиуровневую схему управления С. Вира. Вышеизложенный научный метод должен быть применен как при создании общей схемы управления железнодорожным транспортом, так и при проектировании отдельных АСУ, входящих в ее состав.

Авторское суждение о самоорганизации, как о формировании самосогласованных, кооперативных процессов в системах различной природы, порождаемых взаимосвязью противоборствующих сил, имеющих на систему неспецифическое воздействие и приводящих в итоге к самоструктурированию системы, является основой всех методов управления, предложенных в данной диссертационной работе.

Разработанную модель поведения элементов сложной системы (например, предприятий железнодорожной отрасли) на основе эффектов взаимодействия их «собственных пространств», а также планетарную модель взаимодействия можно использовать в качестве диагностирующих, позволяющих прогнозировать динамику развития процесса самоорганизации. Использование предложенных методик прогнозирования процессов внутренней эволюции корпорации «Российские железные дороги», а также развития взаимоотношений между ОАО «РЖД» и выделенными из ее состава предприятиями даст возможность выявить причины нежелательного поведения элементов системы с точки зрения субъекта управления, найти оптимальные условия для их эффективной работы и оптимизировать структуру взаимоотношений рассматриваемых элементов, а также будет способствовать выработке таких управленческих решений, которые позволят увести всю структуру от воздействующих возмущений или создать компенсаторский механизм, способный поддержать необходимый режим функционирования системы.

Разработанная процедура определения оптимальной (с точки зрения эксплуатирующего персонала) структуры исследуемой АСУ путем моделирования отношений между персоналом и вариантами комплектации АСУ на основе «полевой» модели взаимодействия пространств, образуемых элементами данной системы, позволит: спрогнозировать и выявить природу конфликта между человеком и автоматизированной системой управленияпроанализировать возможные трудности и пути их преодоления при внедрении АСУвыбрать оптимальный вариант ее комплектации.

Высокая сложность организационно-технологических процессов на железнодорожном транспорте, внедрение компьютерных технологий требуют высоко квалифицированных рабочих кадров. Для железнодорожной отрасли сейчас остро стоят проблемы выживания в конкурентной среде с другими видами транспортного обслуживания, где на первое место выходит качество трудовых ресурсов, которое напрямую зависит от специализированных высших учебных заведений, поставляющих кадры для железной дороги. В целях обеспечения высокой эффективности учебного процесса и создания условий для привлечения квалифицированных преподавателей необходимо построить на основе самоорганизации модель отношений между работниками и учебным заведением. На основании этой модели в последствии должна быть создана автоматизированная система управления качеством учебного процесса (АСУ КУП).

Реализацию АСУ КУП следует осуществлять как одну из подсистем, действующей в РГУПС, АСУ УЗ согласно технологии, описанной в предыдущих главах.

Главное назначение АСУ КУП — автоматизированное обеспечение соблюдения качества учебного процесса, т. е. создание таких взаимоотношений между его участниками, которые способствуют повышению профессионализма преподавателей, увеличению багажа знаний студентов, соблюдению актуальности изучаемых дисциплин и научных направлений, объективной оценке преподавателями знаний студентов, объективной оценке органом контроля профессионализма преподавателей, объективной оценке деканатами успеваемости учащихся, и т. д.

В условиях роста конкуренции разработка собственной концепции мотивации труда, квалифицированный подбор персонала и создание условий для его эффективной работы в конкретной организации становятся основополагающими направлениями современного управления.