2 Автоматизация операционных исследований. Структура интерфейса исследователя операций

2.1. Основные этапы имитационного моделирования операций

Развитие исследования операций как науки, обусловленное усложнением существующих и возникновением новых научно-технических проблем, вызванных возникновением рыночных механизмов регулирования народнохозяйственных процессов, сопровождается резким ростом требований к средствам моделирования изучаемых процессов. Исследователю становится труднее построить математическую модель, отражающую реальную операцию во всей ее сложности. Часто построенная модель приводит к задачам, находящимся на грани неразрешимости. Здесь эффективным помощником исследователя может стать современная вычислительная техника, дающая возможности:

• провести отдельный численный эксперимент;

• накопить статистические данные на основе многократных численных экспериментов;

• оперативно проанализировать результаты экспериментов и предложить ЛПР различные варианты решения.

В связи с этим математические модели и методы исследования операций являются основой математического обеспечения моделирующих комплексов, используемых в системах поддержки управленческих и проектных решений.

Среди новых подходов к проблеме моделирования операции важное место занимает имитационное моделирование, активно использующее диалог исследователя операции и ЭВМ. Термин "имитационное" происходит от латинского IMITATIO (копирование, подражание) и выражает стремление оценить расчетным путем и своевременно учесть последствия возможных изменений обстановки, в которой проводится (или будет проводиться) исследуемая операция. Это существенно расширяет возможности:

• выработки достоверных предположений относительно развития исследуемых событий;

• предсказания возможных вариантов поведения участников операции;

• эффективного накопления опыта принятия неформальных управленческих и проектных решений;

• детального (на "элементарном" уровне) отражения процессов, обуславливающих протекание операции, выявления их скрытых особенностей.

Процесс имитации операции объединяет три этапа - подготовительный, рабочий, заключительный.

При всем многообразии содержания конкретных работ по исследованию операций подготовительный этапкаждого операционного исследования включает последовательно следующие этапы:

1. постановка задачи,

2. построение математической модели,

3. нахождение метода решения,

4. разработка алгоритмического и программного обеспечения,

5. подготовка данных для расчета.

Постановка задачи- наиболее ответственный этап операционного исследования, так как просчеты на этом этапе могут сделать бесполезными материальные и трудовые затраты на всех последующих этапах. Первоначально задачу исследования операции формируют с точки зрения заказчика. После уяснения цели исследования проводится тщательное обследование объекта, изучается множество факторов, влияющих на протекание процессов. После сбора данных обследования и их анализа исследователь выделяет совокупность существенных факторов, проводит консультации с заказчиком и уточняет окончательно качественную (содержательную) постановку основной задачи исследования операции.

Построение математической модели. Имея строгую, логически непротиворечивую содержательную постановку задачи, осуществляют ее формализацию путем построения математической модели, содержащей критерий эффективности (1.1), ограничения (1.2), условия неотрицательности (1.3). На основе математической модели формулируют количественную постановку основной (оптимизационной) задачи исследования операции.

Нахождение метода решения.Имея математическую модель, исследователь осуществляет классификацию оптимизационной задачи. Среди существующих методов решения задач данного класса выбирают наиболее эффективные (по точности решения, по времени получения решения и т.п.). Если методы решения отсутствуют, то формируются требования к методу решения и осуществляется его разработка.

Разработка алгоритмического и программного обеспечения.Создаваемое алгоритмическое и программное обеспечение исследования операции должно реализовывать возможности:

• получения однократного решения основной задачи с использованием выбранного метода;

• периодического обмена информацией между исследователем операции и вычислительным комплексом в форме вопросов, ответов, позволяющего в наибольшей степени использовать опыт специалистов;

• многократного обращения к модели с целью накопления необходимых статистических данных, оценки ее характеристик.

Программное обеспечение должно быть "дружественным” к исследователю, максимальным образом использовать основные принципы новой информационной технологии.

Подготовка данных для расчета.Подготовка данных для расчета осуществляется заказчиком при активном участии исследователя операции. После завершения подготовительного этапа начинаетсярабочий этап - собственно моделирование операции. На этом этапе происходят многократные численные эксперименты, на основе которых накапливаются нужные сведения, осуществляется оценка характеристик модели (исследование чувствительности решения к вариациям параметров моделируемого процесса).

На заключительном этапе исследования операций осуществляется:

• анализ и интерпретация полученных результатов,

• подготовка рекомендаций ЛПР,

• реализация предложений по улучшению модели и расширению ее возможностей.

Курсовая работа по курсу "Методы исследования операций" предполагает разработку алгоритмического и программного обеспечения интерактивного исследования операций, описываемых задачами линейного программирования.

На подготовительном этапе исследования операций каждый студент должен:

• ознакомиться с содержательной постановкой заданной основной задачи исследования операции,

• изучить заданный метод нахождения решения задачи,

• разработать сценарий диалога и соответствующую ему структуру интерфейса исследователя операции,

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования операции, реализующее разработанную структуру интерфейса пользователя,

• получить необходимые числовые данные.

На рабочем этапе исследования студент должен:

• для полученных исходных данных на основе разработанного программного обеспечения решить заданную основную задачу исследования операции,

• осуществить проверку достоверности полученного решения,

• провести исследование устойчивости оптимального базиса решения задачи при вариации ("возмущении") активных средств оперирующей стороны.

На заключительном этапе исследования студент должен:

• проинтерпретировать полученные результаты в терминах предметной области содержательной постановки задачи,

• сделать выводы по результатам выполненной научно-исследовательской работы.

2.2. Структура интерфейса исследователя операции

2.2.1. Предварительные сведения. Важной составляющей имитационного моделирования операций являются диалоговые режимы общения пользователя (исследователя операции) с персональной ЭВМ, реализующие концепции новых информационных технологий. Для новой информационной технологии характерны:

• работа пользователя в режиме манипулирования (не программирования) данными. Пользователь должен видеть (средства вывода: экран, принтер) и действовать (средства ввода: клавиатура), а не знать и помнить,

• сквозная информационная поддержка на всех этапах прохождения информации на основе единых данных, предусматривающая единую унифицированную форму представления, хранения, поиска, отображения, восстановления и защиты информации,

• безбумажный процесс отработки выходного документа, при котором на бумаге фиксируется только окончательный его вариант, а промежуточные версии и необходимые данные записаны на машинные носители и доводятся до пользователя через экран дисплея ПЭВМ,

• интерактивный (диалоговый) режим решения задачи с широкими возможностями для пользователя.

Чтобы осуществить диалог, необходимо разработать сценарий, отражающий специфику исследуемой операции и устанавливающий стандартные приемы обращения к ПЭВМ, восприятия получаемых от нее результатов, оформления предлагаемых ей заданий. Ориентация на непрограммирующего исследователя операции требует для реализации сценария разработки функционально полного интерфейса пользователя.

Под интерфейсом пользователя понимается программно-аппаратный модуль, обеспечивающий доступ пользователя к прикладным программным модулям и средствам оформления результатов исследования на бумаге и экране дисплея. Необходимость комплексного подхода к проектированию интерфейса "Пользователь - ПЭВМ" обязывает рассматривать все этапы обработки информации и весь спектр вопросов, возникающих с момента осознания исследователем постановки проблемы до отображения и анализа результатов исследования реальной операции. Формально структура интерфейса пользователя содержит:

• методы и средства контроля доступа к прикладным программам,

• средства организации диалога,

• методы организации диалога,

• методы и средства отображения информации.

2.2.2. Методы и средства организации контроля доступа. Разработка специальных методов и средств организации контроля доступа к информационным и программным ресурсам автоматизированной системы исследования операций диктуется требованиями предотвращения хищения, преднамеренного или непреднамеренного изменения, уничтожения информации и программных средств. В полном объеме система защиты может содержать четыре блока:

• подготовка системы к работе,

• контроль доступа пользователей в систему,

• контроль работоспособности механизма защиты;

• криптографическое закрытие информационных и программных ресурсов.

В упрощенном варианте она, как правило, содержит только первые два блока. При этом блок подготовки системы к работе обеспечивает создание и ведение каталога пользователей, задание прав доступа к файлам. Блок контроля доступа пользователей в систему обеспечивает санкционированный допуск исследователя операции к информационным и программным ресурсам системы. Для получения доступа вводится пользовательское имя. Если оно названо неправильно или отсутствует в каталоге, то следует отказ. Если кроме имени имеется еще и пароль, то отказ не должен выдаваться до тех пор, пока не будет введен пароль. Это препятствует пользователям, не имеющим допуска к системе, узнать было ли неправильным имя или пароль, или неправильно и то и другое. При вводе пароля он не высвечивается на экране дисплея.

Если после ввода имени и пароля подтверждены полномочия пользователя, то он получает доступ. В противном случае после трех неудачных попыток работа блока заканчивается выдачей рекомендаций пользователю.

2.2.3. Средства организации диалога. Средствами организации диалога являются специальная функциональная клавиатура и клавиатура терминала, функциональная клавиша F1 резервируется для вывода кадров подсказки, остальные определяются произвольно. Наряду с функциональными клавишами широко используется клавиатура терминала, требующая определенного уровня подготовки пользователя, выбираемая клавиша терминала должна максимальным образом соответствовать реализуемой функции пользователя. При организации работы пользователя в режиме "Вопрос-ответ" необходимо использовать максимальное количество клавиатуры терминала.

2.2.4. Методы организации диалога. Важной проблемой проектирования интерфейса "Пользователь-ПЭВМ" является выбор, и реализация эффективного метода организации диалога, представляющего собой совокупность правил взаимодействия пользователя с ПЭВМ при использовании информационных и программных ресурсов системы. При разработке интерфейсов исследователя операций широкое распространение получили четыре метода организации диалога:

• режим выбора меню основывается на переборе вершин некоторого конечного дерева получения необходимых сведений. Для получения нужного решения пользователь должен пройти определенную последовательность вершин, выбирая на каждом этапе одно из альтернативных действий;

• режим выполнения функций заключается в составлении и использовании при управлении диалогом ограниченного набора справочников, содержащих сведения о функциональных возможностях системы и действиях (командах) пользователя при реализации этих возможностей;

• комбинированный режим основывается на сочетании первых двух методов;

• режим свободного диалога, предполагающий разработку и реализацию специальных информационно-поисковых языков высокого уровня.

При ориентации на непрограммирующего исследователя операций наиболее рациональной основой для построения проблемно-ориентированных систем является ведение диалога в форме меню. При таком подходе в каждый момент времени на экране дисплея отображены все возможные действия пользователя. Он только должен выбрать одно из них.

Выбор может осуществляться световым пером, джойстиком, перемещением курсора или нажатием соответствующей функциональной клавиши, цифры, буквы. Применение первых двух способов требует специальной аппаратурной поддержки. Преимущество меню ориентированного диалога очевидно: пользователь не загружен лишней, с его точки зрения, информацией о работе системы, для осуществления исследования необходимо лишь читать выводимые на экран дисплея меню, которое частично заменяет "руководство пользователю". Освоение может происходить на основе перехода из одного состояния меню в другое. В случае затруднений предлагается подсказка или необходимая справочная информация.

С помощью иерархически организованного многоуровневого меню пользователь может решать сложные функциональные задачи типовых этапов исследования операций и не допускать при этом ошибок, так как он осуществляет правильный выбор из предложенных альтернатив.

То есть он выбирает, что надо сделать и не решает, как надо сделать, чтобы получить решение задачи.

2.2.5. Методы и средства отображения информации. Основным средством отображения информации является дисплей. Информация на экране должна размещаться рационально, удовлетворяя правилам оформления изображений на экране. Всего можно выделить четыре типа изображений:

• информационный экран, представляющий собой отображение входной, промежуточной выходной информации в виде специальных содержательных экранных форм;

• экран альтернатив, обеспечивающий отображение возможных вариантов продолжения диалога и правил выбора одного из них. Наименование альтернативы должно быть кратким, понятным и отображаться буквами;

• учебный (справочный) экран, отображающий справочную (служебную) информацию пользователя, необходимую и достаточную для ознакомления с предоставляемыми возможностями и режимами их реализации. Формат экрана произвольный;

• экран параметров, содержащий дополнительные, определяющие и уточняющие состав и структуру выводимой информации.

Формат задания экрана параметров может иметь вид: "служебное слово, наименование параметра, значение параметра".

Служебные слова задают в виде глаголов, например: "введите", "укажите", "требуется" и т.д.

В качестве наименования параметров используют название параметров, по которым требуется уточнение, например: "дата", "номер строки", "номер столбца" и т.д.

Значение параметра может задаваться списком альтернатив, например, "низкий", "средний", "высокий", "да" / "нет", либо указанием формата значения, которое подлежит заполнению, например;

Введите дату " , , ".

Использование описанных экранов обеспечивает типизацию и унификацию форм и методов организации диалога, повышает уровень восприятия информации, сокращает количество ошибочных действий пользователя. При получении твердых копий выходных документов, содержащих результаты исследования операции, необходимо предоставить возможность пользователю задавать число требуемых копий, тип принтера, например, "узкий", "широкий" и т.д.

2.2.6. Главное меню исследования операции. Главное меню, под управлением которого осуществляется имитационное моделирование операций, описываемых задачами ЛП, представляет собой трехуровневое конечное дерево, первый уровень которого совпадает с главным меню. Второй уровень дерева образует двухуровневые подменю. Структура альтернатив главного меню имеет вид:

1. Главное меню

   1. Ввод исходных данных.

   2. Коррекция исходных данных.

   3. Решение.

   4. Проверка достоверности решения.

   5. Исследование устойчивости решения.

   6. Справка. Сервис;

   7. Выход из системы.

Каждый пункт главного меню реализует подменю выборов соответствующих функций, обеспечивающих выполнение выбранного этапа исследования операции с использованием ПЭВМ.

1. Ввод исходных данных:

   1. Ввод исходных данных с ГМД.

   2. Ввод матрицы А.

   3. Ввод вектора В.

   4. Ввод вектора С.

   5. Просмотр.

   6. Выход.

2. Коррекция исходных данных:

   1. Коррекция А.

   2. Коррекция В.

   3. Коррекция С.

3. Решение:

   1. Построение канонической формы.

   2. Построение вспомогательной задачи.

   3. Решение.

   4. Вывод результатов на экран.

   5. Вывод результатов на принтер.

4. Проверка достоверности решения:

   1. Проверка допустимости.

   2. Проверка опорности.

   3. Проверка оптимальности.

   4. Вывод результатов.

5. Исследование границ устойчивости оптимальной стратегии:

   1. Задание номеров возмущаемых активных средств.

   2. Построение области устойчивости.

   3. Изменение значений задачи.

6. Справка. Сервис:

   1. Справка.

   2. Копирование информации.

7. Выход из системы

В зависимости от сценария исследования операции приведенное меню может быть уточнено добавлением новых или удалением избыточных функций. Для реализации каждой функции должен быть создан программный модуль обработки информации. На основе модулей, функционирующих под управлением меню, создается программное обеспечение, реализующее диалог в соответствии с имеющимся сценарием.

Организация работы программно-технического комплекса автоматизированного исследования операций в режиме диалога сталкивается с рядом трудностей. Во-первых, расширение круга исследуемых проблем, детализация их проработки требует развитого математического и программного обеспечения, высокого уровня подготовки оперирующей стороны. Во-вторых, фактор времени ограничивает получение на основе моделей представительных статистик, что вызывает недоверие к результатам исследований. В-третьих, повышая информационную эффективность модели, можно частично потерять информацию при представлении ее в компактной, сжатой форме.

Указанные трудности могут быть частично устранены на этапе планирования операции, создания сценария ее исследования, организации функционально-полного диалога "Пользователь - ПЭВМ".

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что понимают под интерфейсом исследователя операции?

2. Сформулируйте характерные особенности новых информационных технологий.

3. Укажите существующие методы и средства организации контроля доступа.

4. Перечислите существующие средства организации диалоговых режимов.

5. Сущность и достоинства современных методов организации диалоговых режимов.

6. Перечислите существующие методы и средства отображения информации.

7. Укажите структуру и особенности главного меню исследователя операции.