Оценка целостности однородных функциональных профилей систем управления
технологическими процессами
И.С. Павловский,
с.н.с., к.т.н, pavlovskiy@ipu.ru,
ИПУ РАН, г.
Москва
Доклад посвящен решению актуальной задачи оценки функциональной целостности систем управления
технологическими процессами (СУТП) в условиях наращивания сложности и повышения
возможности проявления противоречивостей во взаимодействии элементов таких
систем. На основе введенного понятия функциональной целостности определены
соответствующие показатели, предложен метод иерархической структуризации для
построения однородных функциональных профилей СУТП. Намечены направления
дальнейших исследований по рассматриваемой тематике.
The
paper focuses on solving urgent problems of evaluating the functional integrity
of the manufacturing control systems (MCS) in the conditions of increasing
complexity and increase the possibility of existence of inconsistencies in the
interaction of the elements of such systems. On the basis of the entered notion
of functional integrity the corresponding indicators are defined, the method of
hierarchical structurization for creation of the MSC homogeneous functional profiles
is offered. The directions of further researches on the considered subject are
planned.
Введение
Сложность, неоднородность и динамичность структур современных систем управления технологическими процессами (СУТП) приводит к возникновению противоречивых
ситуаций, которые негативно сказываются на эффективности функционирования таких
систем. Получение возможности оперативно выявлять и устранять противоречия в
функционировании СУТП позволяет вовремя предотвратить временные и ресурсные
затраты, что в итоге положительно влияет на эконмические показатели управляемых
технологических процессов.
В этих условиях актуальной является задача оценки
функциональной целостности СУТП и разработки методов выявления функциональных
противоречий, которые могут возникать между элементами СУТП.
Анализ подходов к пониманию и описанию функциональной
целостности показывает, что применительно к техническим системам данное понятие
используется при решении задач оценки внешнего проявления функциональной
целостности, связанного с устойчивостью (надежностью, стойкостью, живучестью,
безопасностью), эффективностью и техническим риском [1]. При этом рассматривается
не целостность (полнота) функций системы в общем, а целостность описания
некоторого набора функций для исследования определенных задач (режимов,
ситуаций) функционирования структурно-сложных системы [2].
Результаты приведенного анализа позволяют сделать
вывод о том, что подобные подходы не могут способствовать решению
сформулированной задачи. Кроме того, требует уточнения понятие «функциональная целостность»
применительно к оценке функциональной целостности СУТП.
1. Понятие функциональной целостности системы управления
технологическими процессами
Анализ публикаций энциклопедического, словарного и
нормативного характера демонстрирует различные аспекты толкования понятия
«целостность». Условно можно выделить три таких аспекта:
- целостность как неделимость
[3, 4, 5, 6, 7, 8];
- целостность как отсутствие
противоречий [9, 10];
- целостность как
неизменность [11, 12, 13, 14, 15].
Первые два аспекта выражают целостность как
внутреннее единство [16, 17, 7].
Третий аспект дает описание целостности как внешнее
проявление. Собственно об этом аспекте и говорится в упомянутых во введении к
докладу работах.
В качестве важного замечания следует отметить, что
внутреннее проявление целостности (неделимость и отсутствие противоречий)
приводит к внешнему проявлению
целостности в виде закономерности, как это понимает теория систем [18]. Поэтому
целесообразно проводить исследование внутренних проявлений целостности как причины
возникновения внешних проявлений.
Таким образом, понятие «целостность» означает,
прежде всего, неделимость и отсутствие противоречий внутри системы, точнее, между
элементами системы.
Как известно, элементы образуют систему посредством
связей, поэтому неделимость системы отражается отсутствием несвязанных
(обособленных) элементов. Противоречивость между элементами возникает при
появлении неоднозначности (многозначности) в связях между элементами. И в том и
другом случаях, важную роль в исследовании целостности играет характер связей
между элементами.
Обобщая сказанное, под функциональной целостностью
будем понимать отсутствие несвязанных (обособленных) групп функциональных
элементов, а также противоречивых связей между такими элементами системы.
Подводя итог сказанному, отметим, что составляющими
понятиями функциональная целостность СУТП являются два основных понятия,
характеризующих внутреннюю структуру СУТП:
- неделимость (отсутствие фрагментации
в структуре, т.е. несвязных элементов структуры);
- непротиворечивость
(отсутствие неоднозначности в связях между элементами структуры).
В соответствии с принятым определением
функциональной целостности СУТП, а также с учетом выделенных составляющих
данного понятия, можно выделить показатели, которые можно представить в численном
виде, основываясь на количественных параметрах элементов и связей между элементами.
Такими количественными показателями являются:
- показатель целостности;
- показатель фрагментации;
- показатель
противоречивости.
Следующая задача настоящих исследований заключается
в определении выражений для расчета указанных показателей.
2. Показатели оценки функциональной целостности СУТП
Главными из перечисленных показателей является
показатель целостности, который носит интегральный характер, так как
представляет собой сумму двух показателей – фрагментации и противоречивости:
, (1)
F - показатель фрагментации;
W - показатель противоречивости;
kF - коэффициент фрагментации;
kW - коэффициент противоречивости.
Показатели фрагментации и противоречивости, исходя
из своей сути, принимают отрицательные значения, а показатель целостности –
положительные. В связи с этим в выражении (1) перед переменными F и W
введен знак отрицания, а в целом каждая скобка этого выражения позволяет выполнить
инверсию значений показателей фрагментации и противоречивости соответственно.
Коэффициенты kF
и противоречивости kW
подбираются экспертным путем в зависимости от предпочтения специалистов исследуемой
предметной области с учетом того, что их сумма равняется 1:
. (2)
В
случае равноценности для эксперта (специалиста предметной области) значений
показателей фрагментации и противоречивости, коэффициенты можно принятии равными 0,5. Тогда выражение для расчета показателя целостности
примет вид:
(3)
или
в упрощенном виде:
. (4)
Показатель фрагментации F характеризует раздробленность структуры СУТП: чем больше
в структуре обособленных групп элементов, тем значение показателя фрагментации
больше.
Значение
показателя зависит от трех характеристик структуры СУТП:
количество
элементов (NT);
количество несвязанных (обособленных) групп элементов
(NG);
количество элементов в
каждой несвязанной (обособленной) группе элементов (Ngi, где i=1...NG).
Выражение для расчета показателя фрагментации
выглядит следующим образом:
. (5)
Показатель противоречивости введен как отношение
противоречивых связей к общему количеству связей между элементами структуры
СУТП. Значение показателя находится в интервал [0, 1]. Если противоречивые связи
отсутствуют, то показатель противоречивости равен 0, если все связи противоречивы
– 1. По мере уменьшения количества противоречивых связей данный показатель
приближается к:
, (6)
NW – количество противоречивых
связей между элементами структуры СУТП;
NR – общее количество связей между элементами в
структуре СУТП.
Как отмечалось выше, в основе определения показателей
целостности, фрагментации и противоречивости заложены количественные параметры
функциональных элементов СУТП и связей между ними. Поэтому, очередной задачей
исследования является анализ возможности применения этих показателей для оценки
функциональной целостности СУТП.
3. Анализ применимости показателей оценки функциональной
целостности СУТП
СУТП представляет собой сложную систему, в которой
большое количество подсистем объединено сложными пространственно-временными связями.
К сложности взаимосвязей элементов СУТП добавляется
их разнотипность, которая выражена включением в данные подсистемы элементов администрирования,
менеджмента, автоматики и автоматизации в силу организационно-технического характера
СУТП в целом.
Таким образом, СУТП по своей сути является
организационно-технической системой, обеспечивающей взаимодействие «машин и
людей» и управление всей информацией о продукте на протяжении его жизненного цикла [19].
Оценить функциональную целостность такой
разнородной структуры СУТП в полном объеме достаточно сложно, так как
разнородные по своему характеру связи трудно сопоставимы, поскольку не имеют
общей шкалы для их измерения и сравнения.
Поэтому оценить возможно только
однородные связи, которые отражают однотипные функции элементов СУТП.
Будем называть такие однотипные по функциональным
связям структуры СУТП однородными функциональными профилями. В этом случае количественная
оценка функциональной целостности СУТП будет относиться к одной определенной
функции СУТП.
Следующая задача исследований заключается в
определении типов функций, которые присущи процессу управления
в общем, и СУТП в частности, для формирования однородных функциональных профилей.
4. Построение однородных функциональных профилей СУТП
В ходе исследований определений основных понятий из
общей теории управления выявлены концепты управления [20]. Концептное представление
процесса управления приведено на рис. 1.
рис. 1
Процесс управления в терминах концептов управления
Здесь концепты «Субъект
управления», «Средство воздействия», «Объект управления», «Средство измерения и
контроля» - это элементы управления; концепты «измерение», «представление»,
«решение», «воздействие» - функции элементов управления.
Необходимо отметить, что
функции «решение» и «исполнение» образуют прямую связь в системе управления,
тогда как функции «измерение» и «представление» - обратную связь. Кроме того, данное представление
описывает цикл управления, который начинается с измерения свойств объекта
управления и завершается исполнением управляющего воздействия для их
целенаправленного изменения. Цель управления выражена концептом «Объект управления»,
а, точнее, желаемыми значениями свойств этого объекта.
Таким образом, однородные функциональные профили
могут классифицировать по четырем видам (типам):
· однородный профиль функции
управления «решение»;
· однородный профиль функции
управления «воздействие»;
· однородный профиль функции
управления «измерение»;
· однородный профиль функции
управления «представление».
Примеры построения однородных функциональных
профилей «решение» и «измерение» приведены на рис. 2. (Необходимо
отметить, что функция «измерение» реализуется в СУТП путем формирования потоков
данных, функция «решение» - формированием потоков управляющих воздействий.)
В случае идеального однородного функционального
профиля (рис. 3, а) элементы СУТП выстраиваются по уровням иерархической
структуры, что свидетельствует о максимальном значении показателя функциональной
целостности (Z=1). Однако при наличии
фрагментов или противоречий в структуре однородного функционального профиля на
графе появляются обособленные группы функциональных элементов (на
рис. 3, б показано шесть таких групп) или противоположно направленные
связи между элементами (например, для рис. 3, б это связи, направленные вниз). Для небольших
по числу элементов однородных функциональных профилей выявления указанных
«отклонений» не представляется сложным с использованием графового представления.
Но при значительном увеличении количества элементов (более 100) использование
графового метода достаточно проблематично, и в ряде случаев (при большом
количестве связей), эта задача становится практически не выполнимой. Кроме
того, при наличии противоречий в однородном функциональном профиле построение
иерархической структуры является невыполнимым и в теоретическом плане.
Поэтому возникает потребность в решении задачи
иерархического упорядочения однородных функциональных профилей.
рис. 2
Графы однородных функциональных профилей СУТП:
а) «решение» (прямая связь управления); б) «измерение» (обратная связь управления)
5. Иерархическая
структуризация однородных функциональных профилей СУТП
Для решения задачи иерархической упорядоченности
однородных функциональных профилей предложен метод иерархической
структуризации.
Суть данного метода заключается в иерархическом
упорядочении элементов сети [21]. Для этого строится иерархическая структура, в
которой для каждого элемента определяется свой уровень иерархии в зависимости
от связей этого элемента с другими элементами.
Исходными данными для реализации метода являются:
множество элементов T={ti}, i=1, n; n – количество элементов
сети;
матрица смежности R=║rij║,
каждый элемент которой указывает на наличие однонаправленной связи между i-м и j-м элементами в случае rij=1
либо отсутствие такой связи при rij
=0.
В результате применения метода иерархической
структуризации получают распределение элементов по уровням иерархии и выявляют
возможные противоречия между элементами.
Результаты, полученные с применением данного
метода, в дальнейшем используются для формирования альтернатив с целью принятия
решений в интересах устранения противоречий в однонаправленных связях между элементами.
В зависимости от принятых решений об устранении
противоречий метод может применяться повторно до тех пор, пока все подобные
противоречия не будут выявлены и устранены. В итоге осуществляется реструктуризация
сети: сеть приводится к иерархическому виду.
Предположим, получены следующие характеристики некоторой
сети:
множество элементов T={t1, t2 ,t3,
t4, t5, t6};
матрица смежности: 
.
В результате применения метода рассчитывается номер
уровней для каждого элемента: U={1,
1, 1, 2, 2, 3}, а также получают множество пар элементов с противоречивыми
связями: RW={(t1, t4),
(t4, t6), {(t6,
t1)}. Для иллюстрации полученных
результатов на рис. 3 показан граф полученной иерархической структуры
исследуемой сети (противоречивые связи выделены утолщенными линиями).
Таким образом, метод иерархической структуризации
позволяет не только иерархически упорядочивать однородные функциональные
профили, но и выявлять противоречия в связях между элементами.
Заключение
В ходе решения задачи оценки функциональной
целостности СУТП получены следующие результаты:
§ сформулировано определение
понятия функциональной целостности СУТП;
§ введены показатели для
оценки функциональной целостности СУТП;
§ определены выражения для
расчета значений введенных показателей;
§ обосновано применение
однородного функционального профиля как модели формирования исходных данных для
расчета показателей функциональной целостности СУТП;
§ предложен концептный подход
для определения функций управления, которым соответствуют типы однородных функциональных
профилей;
§ предложено использование
метода иерархической структуризации для упорядочения однородных функциональных
профилей и выявления противоречий в их структурах.
рис. 3 Пример
определения уровней иерархии элементов:
а) сеть элементов; б) распределение элементов по уровням иерархии
Анализ полученных результатов выявил необходимость разработки методического аппарата определения обособленных групп
элементов в однородных функциональных профилях СУТП большой размерности,
что составляет содержание дальнейших исследований по тематике настоящей работы.
Литература
1.
Мусаев А. А.,
Гладкова И. А. Современное состояние и направления развития общего
логико-вероятностного метода анализа систем // Труды СПИИРАН. 2010. Вып.
12. С. 75-96.
2.
Рябинин И.А.,
Можаев А.С., Свирин С.К., Поленин В.И. Технология автоматизированного
моделирования структурно-сложных систем // Морская Радиоэлектроника. 2007.
№ 3. URL:http://www.szma.com/art61.pdf
(дата обращения: 15.08.2016).
3.
Философский
энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Гл. редакция: Л. Ф.
Ильичёв, П. Н. Федосеев, С. М. Ковалёв, В. Г. Панов. 1983.- 840 с.
4.
Философский
энциклопедический словарь / ред.-сост. Е.Ф. Губский и др. – М. : ИНФРА-М, 2009. – 569 с.
5.
Новая философская
энциклопедия: в 4-х т./ Институт философии Российской Академии наук,
Национальный общественно-научный фонд. Т. 4: Т – Я. - М.: Мысль, 2010. - 734 с.
6.
Коротец И.Д.
Политология. Словарь / В.Н.Коновалов – М.: РГУ, 2010. – 402 с.
7.
Ожегов С.И.,
Шведова Н.Ю. Толковый словарь русского языка: 80 000 слов и фразеологических
выражений. 4-е изд., доп. — М.: ООО «А ТЕМП», 2006. — 944 с.
8.
Antinazi.
Энциклопедия социологии, 2009. URL:http://dic.academic.ru/dic.nsf/socio/4565/ЦЕЛОСТНОСТЬ (дата обращения: 20.09.2016)
9.
ГОСТ Р ИСО/ТС 18308-2008: Информатизация здоровья. Требования к
архитектуре электронного учёта здоровья.
10. ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 10032-2007:
Эталонная модель управления данными
11.
ГОСТ 2.051-2006:
Единая система конструкторской документации. Электронные документы.
12.
ГОСТ Р 52863-2007: Защита информации. Автоматизированные системы
в защищенном исполнении. Испытания на устойчивость к преднамеренным силовым
электромагнитным воздействиям. Общие требования.
13.
Руководящий
документ. Защита от несанкционированного доступа к информации. Термины и
определения. Утвержден решением председателя Гостехкомиссии России от 30 марта
14.
МИ 3017-2006:
Государственная система обеспечения единства измерений. Игровые автоматы с
денежным выигрышем. Методы и порядок проведения экспертизы игровых программ с
целью обнаружения в них недекларированных возможностей
15.
ГОСТ Р 8.654-2009: Государственная система обеспечения единства измерений.
Требования к программному обеспечению средств измерений. Основные положения
16.
Конт-Спонвиль,
Андре. Философский словарь /Пер. с фр.
Е.В. Головиной. – М.: Эстерна, 2012. – 752 с.
17.
Большой
энциклопедический словарь/ [гл. ред. А.М. Прохоров]. — 2-е изд., перераб. и
доп. М.: Большая Российская энциклопедия; СПб.: Норит, 2004. - 1456 с.
18.
Системный анализ
и принятие решений: Соварь-справочник: Учеб. Пособие для вузов/ Под ред. В.Н. Волковой, В.Н. Козлова. –
М.: Высш.шк., 2004 – 616 с.
19.
Электронная
энциклопедия PLM [электронный ресурс]. URL:http://plmpedia.ru (дата
обращения: 27.08.2015).
20.
Павловский И.С. Концептуальные исследования проблемы интеграции
систем управления технологическими процессами / Труды 15-й Международной конференции
«Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления
этапами жизненного цикла промышленного продукта» (CAD/CAM/PDM-2015, Москва).
М.: ООО "Аналитик", 2015. С. 67-70.
21.
Павловский И.С.
Иерархическая структуризация как метод выявления противоречий в управлении
сложными системами //Проблемы управления безопасностью сложных систем: Труды ХХIII Международной конференции. Москва, декабрь