Рыбина Технология построения динамических 2011

обратить особое внимание на выделение их в самостоятельный элемент системы моделирования, который может пополняться, модифицироваться, читаться и использоваться независимо от остальных программ. Эти проблемы преодолеваются, как правило, за счет использования мощных современных средств автоматизации разработки, таких как система G2 и др. [3], [29].

Ниже в виде таблицы приведены в БНФ определения базовых понятий из рассмотренных выше методов построения ИМ.

<событие> : : = <действие с нулевой протяженностью во времени>

<действие> : : = <N, условия начала действия, условия окончания действия>, где N – имя действия

<процесс> : : = <последовательность действий, задаваемая с помощью оператора, определяющего логику возникновения событий>

1.3.3. Интеграция ИМ и ЭС в ДИС

Другой важный вопрос – это организация эффективного совместного функционирования ИМ и ЭС в рамках единой интегрированной системы (ИЭС РВ). Традиционно рассматриваются следующие варианты совместного использования ИМ и ЭС (рис. 5), что практически полностью соответствует структурной интеграции компонентов ИМ и ЭС, специфицированной в рамках задачноориентированной методологии построения статических и динамических ИЭС [3].

В разделе 1.4 детально рассматривается модель интеграции компонентов ИМ и ЭС в единой архитектуре динамической ИЭС. Что касается наличия средств имитационного моделирования в универсальных ИС для динамических ИЭС, то, в частности, система G2 [31]-[33] имеет встроенную подсистему, узко ориентированную только на Ф-задачи моделирования, и средства для подключения внешних систем имитационного моделирования. Поэтому построение ИМ осуществляется с помощью базовых средств G2 (раздел 2).

41

Рис. 5. Варианты совместного использования ИМ и ЭС

1.3.4. Внешнее и внутреннее описание СТС

Одним из основных понятий при моделировании СТС с точки зрения ИМ служит понятие состояния системы (это понятие при описании поведения динамической системы было впервые введено Тьюрингом в 1936 г.). Имеется также внутреннее и внешнее описа-

ние системы [6], [7].

На рис. 6 показано внешнее описание ИМ как системы «вход → выход».

Внешнее описание рассматривает систему как отношение «вход → выход», при этом СТС представлена «черным ящиком» (например, как набор чисел), у которого известны входы и выходы. Механизм перевода входов в выходы неизвестен, неизвестны также и

42

алгоритмы управления. Таким образом, переменные состояния системы скрыты от исследователя.

Противоположностью внешнего описания является внутреннее описание, которое содержит детальное описание элементов СТС, их связи и т.д. Внутри СТС есть сотни переменных с различными способами взаимодействия, т.е. внутренняя модель СТС порождает

еевнешнюю модель.

Сточки зрения «внутреннего описания» в ИМ выделяют [6], [7]:

∙модель управляемого объекта (Муо);

∙модель системы управления (Мсу);

∙модель внутренних случайных возмущений (Мвв).

1.3.5. Состав имитационной модели СТС

Рассмотрим состав ИМ СТС (рис. 7).

1.Входы модели управляемого объекта (Муо) делятся на три группы:

∙контролируемые неуправляемые X = (x1, x2 ,..., xn ) ;

∙контролируемые управляемые U = (u1,u2 ,...,um ) ;

∙возмущения E = (e1, e2 ,..., ey ) .

2.Система характеризуется выходными переменными, т.е. вектором:

Y = ( y1, y2 ,..., yb ) .

Управление U является выходом модели системы управления

(Мсу), а возмущения E – выходом датчика случайных чисел, т.е. модели внутренних возмущений (Мвв).

43

3. Система может находиться в одном из допустимых состояний, представляющих собой векторC = (c1, c2 ,..., cs ) C Ω , где Ω

– пространство возможных (не только допустимых) состояний системы;

C ~ = (c1, c2 ,..., cz ) – множество нештатных ситуаций.

Пространство состояний не обязательно должно быть привязано к реальной физической системе (это может быть некоторая математическая условность, введенная для простоты и краткости описания). Например, состояние АЗС может описываться в терминах системы массового обслуживания (как это делается в GPSS),т.е. приборов обслуживания, очередей, заявок и т.д. Однако для инженера по знаниям, изучающего особенности динамики элементов СТС, с целью построения подсистемы моделирования внешнего мира для динамической ИЭС, желательно оперировать с терминами и понятиями ПрО.

Важно отметить, что так как ИМ представляет собой компьютерную программу, то достаточно принципиальной является возможность получения значений всех переменных, включая случайные возмущения, т.е. в ней нет ненаблюдаемых переменных, как это бывает в реальном мире.

С точки зрения динамики вход ИМ СТС и её выход являются функциями времени. Время выступает параметром, множество значений которого является базой для однозначного отличия результатов всех экспериментов с моделью СТС. Поэтому в соответствии с [6], [7] вводится следующее определение применительно к СТС.

Определение. Под дискретностью СТС и, соответственно, её ИМ понимают тот факт, что существует некоторое счетное множество моментов времени t1,t2 ,...,ti ,ti+1,...,tN , в котором изменяются

значения переменных X ,Y ,U , E и C . На интервале времени [ti ,ti+1 ] указанные переменные не изменяются, а их значения равны значениям в момент времени ti .

Следует отметить, что поскольку рассматриваются только дискретные СТС, то достаточно использовать индекс i у переменной,

44

чтобы осуществить ее привязку к i-му моменту времени ti на временной оси.

Рис. 7. Состав ИМ СТС (внутреннее описание ИМ)

1.3.6. Особенности построения ИМ

Опишем теперь процесс построения любой ИМ в виде следующих принципов:

1.ИМ создается на основе использования языка имитационного моделирования и внутреннего описания модели СТС. При этом инженер по знаниям выбирает переменные состояния и описывает логику преобразования входа в выход (различный выбор этих переменных приводит к различным структурам модели в переменных состояния).

2.При создании ИМ необходимо учитывать структурную и динамическую сложность системы, а также сложность управления. Поэтому следует осуществить декомпозицию СТС и учесть иерархический аспект управления отдельными подсистемами.

Достаточно условно принято считать следующее [6], [7]:

45

1. Для внешнего описания СТС разрабатываемая ИМ позволяет

определить следующее значение выхода Y i+1 имитируемой системы (если известны текущее значение, вход, управление и возмущение):

Y i+1 = F (Y i , X i+1,U i+1, Ei+1),i =1,..., N , где F – оператор (программа) ИМ.

2. Для внутреннего описания ИМ реализуется следующее отношение:

Ci+1 = F (Ci ,Y i , X i+1),i =1,..., N ;

Разделение 1 и 2 достаточно условно, так как в компьютере эти процессы неразрывны. Поскольку рассматривается дискретная ИМ, то в момент времени ti переход системы из (i-1)-го состояния си-

стемы в i-е Ci−1 ¾¾F ®Ci происходит скачком (мгновенно) и представляет собой неделимое событие (т.е. не может быть, например, выполнено наполовину).

Что касается вектора U , то управление (принятие решений) осуществляется на основе информации о выходе Y , поставленной

перед СТС цели Z и состоянии X окружающей среды, в которой работает данная СТС. Для принятия решений в конкретной ситуа-

ции < X ,Y , Z > используется алгоритм управления Al и модель объекта управления F :

U i = Al ( X i ,Y i , Z 0 , F )

Таким образом, для разработки ИМ любой СТС, необходимо не только реализовать внутреннее описание модели, но и запрограммировать алгоритм управления, что является не менее сложной проблемой, чем создание ИМ.

1.3.7. РДО-метод интеллектуального имитационного моделирования

В качестве примера рассмотрим достаточно известный в отечественной практике имитационного моделирования РДО-метод (Ре- сурсы-Действия-Операции), разработанный В.В. Емельяновым [7].

46

Любая система на концептуальном уровне представляет собой набор некоторых ресурсов, состав которых различен для систем разных видов и может меняться для одной и той же системы при ее функционировании. Последнее обстоятельство связано с выходом из строя и восстановлением отдельных ресурсов при их эксплуатации и с модернизациями и модификациями системы.

Ресурсы могут быть двух видов – постоянные и временные. Постоянные ресурсы всегда присутствуют в системе, временные ресурсы поступают и покидают ее в процессе функционирования. В соответствии с [6], [7] все ресурсы образуют множество следующего вида:

R={ri/i=1,…,N} , где ri – i -й ресурс системы; N – число ресурсов в данный момент времени. Состояние i-го ресурса описывается вектором значений его параметров:

Ci={cij/j=1,2,…,M i}, где cij – значение j-го параметра i-го ресурса; Mi – число параметров i-го ресурса.

Тогда состояние системы представимо в виде вектора состояний всех ее ресурсов:

C = {Ci/i=1,2,…,N}.

Ресурсы взаимодействуют друг с другом в соответствии с определенными закономерностями, выполняя определенные действия. Каждое действие связано с некоторыми событиями, происходящими в системе. Таким образом, событие представляет собой элементарное действие в том смысле, что оно не имеет протяженности во времени. Совершение какого-либо события приводит к изменению состояния системы.

События разделяются на регулярные, вызываемые штатным функционированием ресурсов, и нерегулярные (случайные). Изменения в системе при совершении регулярного события отражают логику взаимодействия ресурсов между собой. Нерегулярные события происходят либо при нештатной работе ресурсов (поломки, отказы), либо по внешним по отношению к системе причинам. Регулярное событие формально представимо как некоторое изменение состояния и описывается следующим образом:

e = (te,Ce-,Ce+),

47

где te – момент времени свершения события e; Ce- и Ce+ – состояние системы до и после события e.

Используя понятие событие, целенаправленное действие можно описать через события начала и окончания действия:

a = (eн, ек) = (tн,Cн-, Сн+, tk,Ck-,Ck+).

Для нерегулярного события e` состояние ресурсов до его начала не наблюдается, так как событие происходит случайным образом. Событие ẽ не инициируется системой управления, поэтому оно описывается лишь временем возникновения и состоянием ресурсов после завершения события:

ẽ = (te`,Ce`+).

Если во время протекания действия a произошло нерегулярное событие ẽ, затрагивающее ресурсы действия, то происходит нештатное окончание действия, и результатом действия будет не состояние Ce`+, а состояние, определяемое событием ẽ, т.е. Ce`+. Соотношение для а описывает действие, не прерываемое нерегулярными событиями, т.е. завершающееся в штатном режиме. Для того чтобы действие могло начаться, его ресурсы должны отвечать условию P(Cн-).

Процесс в системе представляется в виде временной последовательности действий и нерегулярных событий

П = (А,Ẽ,α),

где А – множество действий; Ẽ – множество нерегулярных событий; α – отношение предшествования во времени.

В общем случае П описывает параллельно протекающие процессы в системе. Для регулярного события е алгоритм F преобразования Ce- в Ce+ известен и определяется закономерностями функционирования сложных динамических систем. Поэтому соотношение для а может быть представлено в следующем виде:

a = (Fн(Rн),Fк(Fн(Rн)),tн, tk),

где Fн, Fк – алгоритмы преобразования параметров, описывающих состояние ресурсов при событиях eн и ек; Fн(Rн) – состояние ресурсов после завершения события eн.

Действие может начаться, если его ресурсы известны и имеют параметры, определяемые Cн-. Оно привязано ко временной оси, начинается в момент времени tн и кончается в момент tk.

48

В [6], [7] введено понятие операции и сделано это следующим образом. Операция O есть формальное описание множества однотипных действий:

O = (E(Ro),Pн(Ro), Fн(Ro),Fк(Ro),φ(Cн-(Ro))),

где E(Ro) – описание множества формальных ресурсов операции Ro. По сути, операция в данном случае представляет собой подпро-

нии фактических параметров из операции получается действие в системе.

Таким образом, операция описывает, что может произойти в системе при определенных условиях, а действие – что произошло, происходит или произойдет и в какое время. Действие может быть описано правилом продукции. В рамках РДО-метода используются модифицированные продукционные правила вида [6],

[7]:

ЕСЛИ (условие) ТО1 (событие 1) ЖДАТЬ (φ(Cн-(Ro))) ТО2 (событие 2).

Здесь событие 2 наступает через интервал времени, определяемый закономерностями действия и состоянием его ресурсов. Если в течение данного временного интервала происходит нерегулярное событие, то событие 2 не наступает. При таком представлении сохраняется возможность моделирования нерегулярных событий, определения моментов окончания действий, становится возможным моделирование и управление в реальном масштабе времени.

Множество всех операций, свойственных системе, составляет БЗ системы. Все действия, имеющие одинаковую природу, описываются соответствующей операцией (одной для всех этих действий). Процесс в системе в общем случае описывается графом И/ИЛИ, вершины которого соответствуют определенным состояниям системы, а дуги – правилам продукций.

49

1.4. Построение динамических ИЭС на основе задачно-ориентированной методологии

1.4.1. Особенности проблемы интеграции в ДИС

Как было отмечено выше, главной целью привлечения методов и средств имитационного моделирования в ИИ (на примере ДИС) является необходимость моделирования внешнего мира в РВ и включения, в частности, в архитектуры динамических ИЭС соответствующих подсистем, адекватно отражающих все процессы и законы функционирования моделируемых систем.

Очевидно, что с точки зрения взаимопроникновения интеграционных процессов наиболее близки позиции ЭС и имитационного моделирования, поскольку и те и другие основаны на использовании моделей (математических – в случае имитационного моделирования и экспертных – в случае ЭС), носящих равноправный характер, и объединение которых в единой архитектуре ИЭС может обеспечить новое качество принимаемых решений и общего результата в целом.

Наиболее ярко интеграционные проблемы проявляются при создании динамических ИЭС, функционирующих в РВ (ИЭС РВ). В разделе 1.1.1 уже упоминался опыт разработки прототипов динамических ИЭС с использованием лицензионной системы G2 (Gensym Corp.) для широкого класса задач (более подробно с этими работами можно познакомиться в [3]).

В целом, несмотря на внешнее различие ПрО, основными объектами моделирования являлись СТС. Следовательно, ИЭС РВ для диагностики и управления СТС (в основном дискретных и непре- рывно-дискретных) должна обеспечивать, в общем случае, поддержку решения таких задач, как: динамическое моделирование процессов функционирования СТС; контроль работы СТС, регистрация отклонений от заданного режима, сигнализация о предаварийных и нештатных ситуациях, аварийное отключение и др.; изучение действий операторов по управлению СТС и обучение персонала; удобный графический интерфейс пользователя для наблюдения за изменениями основных параметров, характеризующих работу СТС и др.

50