книги из ГПНТБ / Клыков, Ю. И. Ситуационное управление большими системами

Л. А. Рвачевым [Л. 20], задаются с помощью пяти основ­ ных лредикатов:

4) х/у (предмет х раньше предмета у) и 5) х—к/ (предмет х есть причина предмета у).

Для этих основных предикатов формулируется 21 ак­ сиома (например, x—*yZDylx). Хотя Л. А. Рвачев не показал полноту данной системы аксиом, эффективность результатов, полученных на ее основе, свидетельствует в пользу справедливости предположения о ее полноте. Однако путь задания структуры языка имитации с по-" мощью полной системы аксиом не является эффектив­ ным, так как он приводит к замкнутой структуре языка

ине дает возможности получать конструктивным путем

еерасширение и изменение в процессе функционирова­ ния языка. Более перспективным путем является зада­ ние множества связей 'между элементами сложных си­ стем с помощью списка простейших 'бинарных отноше­ ний между простейшими знаками и списка правил обра­ зования производных отношений и знаков. Расширение языка в этом случае осуществляется довольно просто пу­ тем пополнения списков новыми отношениями и прави­ лами. Такие списки для пространственно-временного! континуума строились рядом авторов [Л. 21, 22]. Язык имитации требует оперирования с континуумом более высокого порядка, чем 'пространственно-временной. Спи­ ски бинарных отношений и правил их тождественного преобразования, соответствующие такому континууму,

списка бинарных отношений языка имитации, результа-1 ты практического применения языка для построения мо- П делей решения задач управления широкого класса боль- у ших систем свидетельствуют о его практической полноте. i ;

21

Принцип порождаемое™ предполагает задание язы­ ка имитации в виде знаковой (семиотической) системы,

вается генетическим характером структуры сложных си­ стем, в которой сложные элементы представляются как совокупности простейших. Например, завод состоит из цехов, цехи состоят из технологических линий и т. д. Как было отмечено выше, конструктивный путь построения знаковой системы, в отличие от аксиоматического, обе­ спечивает возможность расширения и изменения системы в процессе ее функционирования. Такой подход по своим идейным основам близок к работам Д. Пойа по теории правдоподобных рассуждений и эвристическим методам построения моделей [Л. 23]. Современные вычислитель­ ные машины базируются на языках досемиотического уровня, в силу чего они способны моделировать лишь простейшие процессы решения задач, которые сводятся либо к реализации жесткой алгоритмической схемы, либо к слепому поиску на протяжении всего хода решения или на отдельных его участках. Даже появление так назы­ ваемых эвристических программ по существу не внесло ничего нового в работу вычислительных машин. Эвристи­ ческие программы, рассматриваемые при условии абстрагирования от работы программиста по их состав­

'свойств, характеризующих этот объект. Например, кор­ пус судна определяется «ак корпус, состоящий из набо­ ра судна, днищевой и бортовой обшивок и палубных на­

стилов; набор судна (каркас, обшитый стальными ли­ стами) состоит из продольных и поперечных креплений

знаку в отношениях, рассматриваемых в заданном кон­ тинууме. Например, смыслом знака х — «самолет», рас­ сматриваемого в континууме, в котором связи между ' предметами выражаются с помощью двух отношений

22

/Ч —«предмет х есть вид предмета у» и /*2 —«предмет г входит в состав предмета л:», является совокупность зна­ ков: у,— «летательный аппарат тяжелее воздуха», z— «силовая установка, создающая тягу», которые находят­ ся к знаку х соответственно в отношениях ri и Гг. Расши­ ряя список базовых бинарных отношений, можно полу­ чить смысл знака с любой степенью полноты. Использо­ вание языка, обеспечивающего большую полноту и точ- • ность описания, чем необходимо для решения заданного : класса задач управления, нецелесообразно, так как это

рые требуются ее структурой, отсутствуют, использова- •

использовать более простую 'модель, пусть даже она но!1 своей структуре и не в состоянии обеспечить желатель-j ной полноты и точности описания. Если связь между предметами имеет опосредствованный характер, то смысл знаков уточняется с помощью правил тождествен­ ного преобразования отношений. Например, в цепочке

транзитивность отношения г. Уточнение смысла знаков формально выглядит, как установление между знаками непосредственных отношений по правилам тождествен-'Ч. ного преобразования отношений. Таким образом, соглас­

языком с внутренней семантикой в отличие от абстракт-! но-алгебраических языков, в которых семантика лежит} вне языка. . - •

Принцип иерархичности предполагает многоуровне-; вую структуру языка имитации, каждый уровень кото­ рой характеризуется определенной полнотой и точностью выражения смысла знака. Этот принцип обусловливает- - ся иерархической структурой управления сложными си-' схемами,- требующей различной полноты и точности опи-

23

са-мия задач на различных уровнях управления. Уровни языка имитации строятся таким образом, чтобы каждый последующий уровень обеспечивал большую, чем пре­ дыдущий, полноту и точность описания, располагая, кро­ ме того, некоторыми дополнительными средствами. Сов­ местимость уровней позволяет использовать для них единый операционный аппарат. Примером языка с не­ сколькими уровнями описания является язык СИНТОЛ [Л. 24] н информационный язык Института кибернетики АН УССР (Л. 25].

са управления сложной системой. Смысл принципа целе­ сообразности поясним на примере игры в шахматы. Человек, не умеющий играть в шахматы, при взгляде на шахматную позицию не увидит ничего, кроме размещен­ ных на доске фигур, обладающих цветом и формой. Си­ туацией для такого игрока служит «фотография» шах­ матной позиции. Однако если на ту же позицию взглянет человек, играющий в шахматы, то, помимо внешнего вида фигур и их расположения на доске, он увидит, что конь белых может, например, напасть на черного слона и т. п. Наглядно этих отношений в позиции нет, и все же шахматист как бы видит функциональные (прагматиче­ ские) связи между фигурами. Чем сильнее шахматист, тем больше он видит таких связей. Исходя из имеющейся цели решения задачи, шахматист достраивает исходную ситуацию до ситуации, по которой принимается решение. Процесс структурирования ситуаций выступает отчетли­ во и у диспетчера, управляющего сложной системой. Диспетчер морского порта «видит» не отдельные элемен­ ты структуры порта, а связки элементов (суда, стоящие на рейде и предназначенные для разгрузки, грузы, кото­ рые можно помещать в определенные склады, и т. д.). Структурированные ситуации являются ситуациями-ре­ шениями, т. е. ситуациями, по которым принимаются ре­ шения. Процесс структурирования знаков языка имита­ ции 'базируется' на принципе порождаемое™, согласно которому сложные структуры знаков образуются из про­ стейших структур. Принцип расширяемости предполага­ ет наращиваемость и изменяемость в процессе обучения структуры языка имитации.

24

Этот принцип обусловлен изменяющимся характером структуры объекта управления, процессов, происходя­ щих на этой структуре, и процессов управления объек­ том. Например, в такой системе, как морской порт, изме­ нение структуры происходит за счет образования новых линий коммуникаций, построения новых складов, появле­ ния новых видов судов, грузов, перегрузочного транс­ порта, ввода новых правил поведения объектов и др. При этом возможно изменение критерия функциониро­ вания и команд управления портом или отдельными районами порта.

Принцип макроструктурности предполагает возмож­ ность обобщения знаков языка имитации. Построение классов знаков осуществляется на основе структурднэй^ общности знаков. Поскольку структура знаков языка "имитации соответствует структуре ситуаций объекта управления, то знаки, образующиеся в результате обоб­ щения, соответствуют макросостояниям объекта управ­ ления. Процесс обобщения знаков может иметь кон­ текстно-свободный или контекстно-связанный характер. При KOHiejccTHQ-свободном характере обобщения знаков в один класс попадают знаки, содержащие в своей структуре одинаковые фрагменты. Контекстно-связ^шое обобщение знаков предполагает объединение в один класс знаков, содержащих одинаковые фрагменты с вполне определенными структурными свойствами. Этот вид обобщения позволяет осуществить управление процессом построения классов ситуаций ^гутем наложения ограниче­ ний на структуру обобщаемых ситуаций. Число" об осилен­ ных знаков соответствует числу принимаемых решений. В соответствии с принципом динамичности ситуаций яв­ ляется последовательность состояний управляемого объ­

са функционирования объекта управления, позволяющих предвидеть последствия принятия тех или иных решений

Таким образом, язык имитации структуры и 'законов' функционирования сложных систем, на котором базиру­ ется ситуационное управление, должен содержать сред­ ства описания, пополнения и изменения ситуаций, сред­ ства выработки гипотез о связях в ситуациях, средства•

25

ции, получило название гиромат [Л. 17]. В отличие от вы­ числительной машины гиромат может интерпретировать свою структуру и свое функционирование на уровне тех сведений о среде и своей структуре, которые он может получить с помощью своей конструкции, сообразуясь с заложенными в него целями. Вычислительные машины, как известно, «суть интерпретированные системы физи­ ческих объектов» [Л. 26]. При этом роль интерпретатора играет человек (программист), без которого вычисли­ тельная машина превращается в «бессмысленный набор электронных приборов» [Л. 26]. Если бы удалось форма­ лизовать класс объектов, называемых вычислительными машинами, то их молено было бы рассматривать как формальные системы математической логики, не обла­ дающие интерпретацией. Семиотическая система языка имитации, моделирующая процесс формирования струк­ туры большой системы и законов ее функционирования, играет роль интерпретатора класса задач управления в памяти вычислительной машины. В семиотической си­ стеме можно выделить следующие три основные имита-. ционные модели: Mi — имитационная микромодель структуры и законов функционирования объекта управ­ ления; М2 — имитационная модель процесса формирова­ ния обобщенного управления большой системой; М3 — имитационная макромодель управления объектом. Рас­ смотрим основные принципы построения имитационных моделей.

1-3. МИКРОМОДЕЛЬ СТРУКТУРЫ И ЗАКОНОВ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ БОЛЬШИХ СИСТЕМ

Как указывалось выше,- функционирование сложной системы представляет собой ' процесс изменения прост­ ранственно-временных и других отношений между эле­ ментами системы. Процесс изменения отношений, рас­ сматриваемых в языке имитации, связан с использова­ нием различных по своему характеру моделей. Часто моделирование связей на различных уровнях управления большой системы удобно осуществить с помощью ди­ скретной сети, вершины которой соответствуют элемен­ там системы, а ребра соответствуют коммуникационным

26

связям между ними. Например, коммуникационная сеть грузового морского порта (см. рис. 6-1) отображает вод­ ные, шоссейные и железнодорожные пути между прича­ лами, складами и другими объектами. По этим путям перемещаются суда, автомашины, железнодорожные со­ ставы и другие объекты, перевозящие грузы. При пере­ мещении грузов по территории и акватории порта либо изменяется направление их движения, либо грузы нахо­ дятся некоторое время в покое (лежат на складе, судне, в вагоне и т. д.), либо изменяются частично или пол­ ностью характеристики грузов. В коммуникационной се­ ти морского порта выделяются вершины, называемые истоками, которые имитируют законы появления судов и железнодорожных составов с грузами на входах порта. Вершины сети, которые имитируют пункты отправления грузов из порта, называются стоками. Остальные верши­ мы сети, называемые преобразователями, имитируют за­ держки и процессы преобразования характеристик гру­ зов в пунктах перевалки.

В тех случаях, когда изменение характеристик грузов осуществляется в соответствии с имеющейся технологи­ ческой схемой переработки грузов (например, перевалка грузов на причалах, складах), модель имитации техно­ логического процесса может быть задана в виде конеч­ ного автомата. Если план перевалки грузов в определен­ ных пунктах заранее неизвестен (например, при одновре­ менном обслуживании нескольких причалов), то преоб­

ет проблема принятия решений. .В общем случае верши- \ нами ДСС могут быть как конечные автоматы, так и ,- модели принятия решений../Функционирование конечных,

27

в целом имитирует структуру и функционирование объ­ екта. Процесс управления ДСС имитируется с помощью модели управления. Модель управления может быть за­ дана либо в виде конечного дискретного автомата, либо в виде модели принятия решений. В обоих случаях управление сетью осуществляется в соответствии с теку­ щим состоянием сети и командой управления, поступаю­ щей из вышележащего уровня. Если ДСС имитирует ра­ боту района морского порта, то модель управления сетью имитирует работу диспетчера района, который осуще­ ствляет суточное планирование работы района на осно­ вании плана работы порта и текущего состояния района. На рис. 1-3 приведена укрупненная структурная схема имитационной модели структуры и законов функциони­ рования сложной системы.

Информационные и управляющие каналы служат для приема и передачи соответственно осведомительной и управляющей информации из других имитационных мо­ делей.

Например, для имитационной модели района морско­ го порта роль осведомительной информации играют све­

лей других районов, а функцию управляющей информа­ ции выполняют сменно-суточные планы, формируемые в имитационной модели порта, а также планы, форми­ руемые в модели района и передаваемые в имитацион­ ные модели причалов. Имитационная модель, показан­ ная на рис. 1-2, получила название полюсиика, полюса­ ми которого являются информационные и управляющие каналы.

Полюсники играют роль модулей, из которых стро­ ятся имитационные модели любой степени сложности. Например, имитационная модель морского порта форми­ руется из имитационных моделей районов порта, кото­ рые в свою очередь строятся из имитационных моделей причалов, складов и др.

Простейшими модулями структуры сложной системы являются имитационные модели функционирования исполнительных устройств. Язык описания имитационных моделей структуры сложных систем, рассматриваемый в гл. 2, базируется на принципе порождаемое™. Базой языка являются простейшие модули (модули нулевого порядка). Модули первого порядка образуются из моду-

28

лей пулевого 'Порядка путем установления между ними! связей и формирования устройства управления получен-1 ной ДСС. Аналогичным образом образуются модули i-ro порядка, играющие роль имитационных моделей i-ro уровня управления. Модуль i-ro порядка может состоять

ских и др.), показал общность используемых в них отно­

во) ; «предмет х имеет место над предметом у, не сопри­ касаясь» (самолет ТУ-104 находится над аэропортом Внуково); «предмет х имеет место над предметом у, со­ прикасаясь» (самолет ИЛ-18 находится на рулежной дорожке № 3); «предмет х является частью предмета у»

шениями существует связь типа включения по объему. Например, отношение «предмет х движется к предмету у» включает отношения «предмет я. летит к предмету у», «предмет х идет к предмету у» и другие отношения, кон­ кретизирующие понятие «движение». Роль значений предметных переменных играют единицы естественного

29

языка (слова, выражения, предложения и Др.), обозна­ чающие элементы сложной системы, между которыми имеются соответствующие отношения. Простейшими зна­ чениями предметных переменных являются базовые по­ нятия, обозначающие элементы сложной системы, членепне которых на составляющие не требуется для решения задач управления. Например, в такой системе, как аэро­ порт, базовыми понятиями являются: «летательный аппа­ рат», «взлетно-посадочная полоса», «рулежная дорожка» и др. Производные понятия образуются из базовых и других производных понятий по правилам грамматики языка описания ситуаций. Понятие t'-ro порядка пред­ ставляет собой выражение вида

«грузовой люк». Если в качестве базовых отношений выбрать отно­

Используемые для определения понятий отношения характеризуют постоянные связи между предметами, не зависящие от ситуаций, в которых могут находиться /предметы. Полнота-определения понятий определяется полнотой набора отношений языка описания ситуаций, v а точность зависит от цели описания и характера решаемых задач. Например, при управлении отдельными суда-

*30