§ 1.2. Информация и автоматизированное управление

В основе функционирования АИС лежит процесс автомати­зированного управления, принципиально отличающегося от ав­томатического тем, что в контуре управления активная роль от­водится человеку, на которого возлагается функция принятия решения в различных условиях производства.

В контуре автоматического управления также может принимать участие человек, однако он выполняет функции оператора и действует по строго де­терминированному алгоритму. Нарушение этих действий возможно только в соответствии с инструкциями, которые предложены оператору на всевозмож­ные случаи нормального и аварийного функционирования системы.

П роцесс принятия решения построен на анализе полученной информации и носит чисто информационный характер. Структура процесса принятия решения представлена на рис. 1.1, где выделены следующие этапы: ПИ—получение информации о состоянии объекта управления; ВР—выработка решения; ВК— выбор критерия качества; ВУВ—выдача управляющего воздействия; АИ—анализ информации.

Рис. 1.1. Структура процесса Рис. 1.2. Общая схема системы уп­равления

принятия решения

При функционировании АИС мы имеем ряд типовых фаз, связанных с преобразованием информации. К ним можно отнести подготовку и регистрацию, сбор и передачу, хранение и обработку, выдачу, воспроизведение и отображение информации. Человек-руководитель, называемый в информационно-логической модели АИС оператором, получает информацию от объекта, которая должна быть строго согласована с необходимым интервалом управления и не содержать в себе избыточности. В соответствии с этим перед разработчиком АИС встает проблема снижения избыточности исходной информации, снимаемой с объекта управления. Это означает необходимость устранения коррелированных значений информации, разработку специальных средств и методов съема ее, позволяющих получать последовательно независимые данные от объекта.

Выработка правильного решения во многом зависит от выбранного критерия. Обычно решение задачи связано с многокритериальностью выбора, принять решение формализованным путем оказывается невозможным. Поэтому здесь идут двумя путями выбирают один наиболее существенный критерий и по нему проводят оптимизацию, а остальные критерии сводят в ограничения; либо на основе метода экспертных оценок определяют значимость каждого критерия, взвешивают их и в некоторой обобщенной форме получают интегральный критерий качества. Для этого могут быть использованы аддитивный, мультипликативный и другие формы объединения частных критериев. Во всех случаях весьма важным для принятия решения оказывается уровень достаточности исходной информации. В зависимости от степени информированности руководителя о состоянии объекта управления, полноты и точности моделей объекта и процесса управления, характера их взаимодействия с окружающей средой Процесс принятия решений может протекать в следующих различных условиях [8]. Решение может приниматься в условиях определенности, когда заданы функциональная модель системы М и модель процесса функционирования объекта управления Мо. В общем виде эти модели задаются отображениями:

M:RxZxS→X

M₀:XxR₀xS₀→F

где R, Ro — множества ресурсов; 2 — множество целей, постав­ленных метасистемой; S, So—множества состояний системы и объекта управления соответственно; Х—множество управляю­щих воздействий; Р—множество исходов.

На рис. 1.2 представлена общая схема системы управления, из которой видно, что внешняя среда (ВС) задает состояния S, So для АИС и объекта управления (ОУ). Метасистема (МС) задает ресурс R и цели Z. Как результат функционирования, возникает множество исходов F. В условиях определенности влияние внешней среды на управляющие воздействия Х и исходы F .является несущественным. Поэтому может существовать однозначная связь между выбранной стратегией использования ресурса и исходом. Решающее правило может быть записано в форме

где Е — произвольное множество упорядоченных по степени предпочтительности элементов, отображающих качество управления Правило принятия решения φ₁ для данного случая находится на основе методов математического программирования. Более сложным представляется случай принятия решения в условиях риска. Здесь необходимо учитывать влияние внешней среды, но нет полной информации. В распоряжении лица, принимающего решение, имеется лишь вероятностное распределение состояний внешней среды, и как следствие, вероятностный исход. Решающее правило φ₂ может быть представлено в виде

φ₂:FxPxZ→E

где Р — множество вероятностей появления исходов

Более сложный вариант принятия решения имеет место в ус­ловиях неопределенности, когда неизвестно и значение вероятно­стей pP. Решающее правило имеет вид

Каждой паре стратегия—исход {с, f} ставится в соответ­ствие некоторая оценка—выигрыш. Этот случай является наи­более трудным, однако он встречается в практике функциониро­вания автоматизированных систем управления в условиях неоп­ределенности. Решения могут приниматься по группам задач разной сложности. Для простых задач с малым числом перемен­ных обычно вариант решения может выбираться с помощью рас­чета экономической эффективности. При сложных задачах мо­жет широко использоваться моделирование. В настоящее время моделирование как средство поддержки принимаемого решения находит очень широкое использование: здесь могут быть применены и чисто математические методы моделирования, и физические, и смешанные варианты [II]. Для всех рассмотренных случаев, как уже указывалось, решение обычно принимается в условиях многокритериальности. Это связано с тем, что множество целей Z, поставленных перед данной системой управления метасистемой, содержит в себе ряд самостоятельных взаимонеза­висимых целей. Тогда вместо единственных отображений ₁, ₂, ₃ получаем набор отображений по каждой цели. В этом случае необходимо процесс принятия решения начинать с формулировки задачи, уточняя ее в процессе решения, выбрать необходимые критерии эффективности и принимать решение при наличии достаточной достоверной информации. Объем информации, необходимой для принятия решения, обычно может быть установлен методами теории информации на базе статистической теории. Однако более важна для руководителя семантическая, содержательная часть информации, и еще более существенным оказывается прагматический ее аспект, т. е. полезность информации для принимаемого решения [24].

Количественные характеристики на основе статистической теории устанавливаются с помощью понятия энтропии как меры неопределенности состояния системы. При этом можно уста­новить количество двоичных единиц информации в некоторой структурной части, например в символе кода сообщения, в сообщении, в блоке сообщений, реквизите и т.д. Общая форма энтропии имеет вид [10]

где P(y_i) — вероятность появления символа y_i.

Понятие энтропии базируется на шенноновской теории информации, однако и ранее понятие информации рассматривалось как характеристика внутренней организованности материальной системы, если система может принимать известное исследователю множество состояний. В этом смысле информация оценивает потенциальные возможности системы и существует независимо от того, наблюдает ее исследователь, получает ее руководитель или нет. Однако информация проявляется только во взаимодействии объектов или процессов [10]. В отличие от материи и энергии, информация может возникать и исчезать. Она присуща определенным образом организованным системам, в которых могут иметь место и процессы управления. В этом смысле при принятии решения под информацией понимается то, что воспринимается осмысленно и что целесообразно использовать для управления.

Физическим носителем информации обычно является сигнал. В автоматизированных системах управления на уровне технологического процесса в качестве такого носителя выступает электрический сигнал, на уровне организационно-экономической системы—документ. Функционирование автоматизированной системы управления приводит к обращению информации в системе по некоторому циклу, в котором могут быть выделены отдельные этапы. Этап восприятия информации определяет извлечение и Излучение информации от какого-либо объекта. Если проводится научное исследование и строится автоматизированная систе­ма научных исследований, то на основе данной информации формируется некоторый образ объекта — его модель.

Зачастую мы абстрагируемся от целого ряда характерных я объекта сторон функционирования и выделяем только ту, которая нас наиболее интересует. При этом возникает проблема фильтрации информации, т. е. все интересующие нас стороны объекта проявляются в шумовой информации, которая содержится в мешающем сигнале (шуме). В этом случае возникает проблема выделения информации на фоне шума, которая имеет весьма существенное значение при построении систем обмена информацией комплекса технических средств АИС, особенно на уровне получения информации непосредственно от производственной системы либо технологического процесса. После восприятия информации возникают задачи ее подготовки информации. Этап подготовки информации в АИС приобрел типовой вид.

Здесь происходят нормализация, преобразование информации используются различные типы кодов. При подготовке обычно используют коды, которые допускают минимальную ошибку считывания информации. Целью подготовки является s представления информации в виде, удобном для последующей обработки в ЭВМ либо для передачи информации по каналам связи. Информация по каналам связи АИС передается в виде некоторых частей — сообщений. Под сообщением понимают все то, что подлежит передаче. В АИС сообщения, связанные с обменом информацией, могут иметь разную длину, поэтому весьма важным является формат передаваемых сообщений. Определенные успехи достигнуты при разработке информационных систем на основе выделения типовых уровней взаимодействия информационных систем и разработке типовых протоколов взаимодействия с учетом физического, информационного, транспортного, сетевого и других уровней. Передача информации—наиболее трудоемкий процесс по времени и по сложности схемной реали­зации. В АИС она осуществляется по различным каналам свя­зи. Для централизованных систем — это специализированные каналы, проложенные в производственных помещениях, и проб­лема помехоустойчивости обычно здесь не возникает. Для рас­пределенных АИС передача происходит по специально органи­зованным каналам с использованием телефонных, радио- и дру­гих линий связи, в которых действуют помехи, и возникает серьезная проблема введения целесообразного уровня избыточ­ности для обеспечения помехоустойчивости передачи информа­ции (данных) в АИС.

На этапе восприятия и последующей подготовки информа­ции весьма важным фактором является ее ценность, которая оп­ределяется возможностью ее использования для оперативного управления производством. С течением времени информация ста­реет и ценность ее сводится к нулю, поэтому возникает пробле­ма оперативного использования полученной информации для уп­равления. Разработаны модели старения, позволяющие устано­вить допустимые сроки задержки в передаче информации системе или лицу, принимающему решение. При недопустимых задержках передача оказывается нецелесообразной и лишь загружает комп­лекс технических средств. На уровне подготовки информации и ее получения от объекта управления пытаются всячески устра­нить избыточность и осуществлять так называемую предвари­тельную обработку информации с целью ликвидации излишней избыточности. В то же время при передаче информации созна­тельно вводится избыточность для того, чтобы обеспечить пере­дачу информации с допустимой вероятностью ошибки в услови­ях действующих помех. Так, устраняемая ранее избыточность, связанная с коррелированными значениями исходной информа­ции от производственного процесса, далее восполняется целена­правленной избыточностью, специально вводимой в передаваемый сигнал с целью обнаружения и исправления ошибок, воз­никших в сообщении из-за помех [12].

Существенными этапами информационного цикла являются процессы хранения и обработки информации. Хранение инфор­мации необходимо для того, чтобы иметь в памяти ЭВМ инфор­мационную модель системы, окружающей среды и процесса уп­равления. Эта модель обычно отображается в виде информаци­онных массивов, которые в зависимости от назначения системы подвергаются обновлению с разной степенью регулярности, т. е. возникает проблема создания информационной базы, осуществ­ляющей информационную поддержку процессов принятия реше­ния в АИС. При хранении информации возникают задачи, связан­ные с логической структурой информационных массивов, с фи­зической организацией информационной базы. При рациональной организации базы удается обеспечить своевременный ввод, вы­вод и обновление информации с использованием минимального ресурса вычислительной системы по памяти при максимальном быстродействии, что важно для оперативности принимаемого ре­шения. Этап обработки информации обычно реализуется с по­мощью ЭВМ и при участии человека. Если существуют форма­лизованные алгоритмы обработки, то информация обрабатыва­ется на ЭВМ и результат обработки в соответствующем виде представляется лицу, принимающему решение. В условиях не­определенности или при решении новых задач такие алгоритмы оказываются неизвестными. Решение вырабатывается на основе неформализованных алгоритмов с использованием опыта руко­водителя; и здесь этап принятия решений и само свойство авто­матизированного управления проявляются в наиболее полном виде. На основе информации, полученной от объекта, человек принимает неформальное решение, и АИС с помощью комплекса технических средств обязана предоставить ему нужную инфор­мацию. Цель автоматизированного управления — обеспечить без­ошибочность принимаемого решения в различных условиях ис­ходной информации. Использование ЭВМ для обработки инфор­мации с последующим понятным человеку воспроизведением позволяет говорить о создании в настоящее время в рамках АИС специальных систем обработки информации, которые предназна­чены для решения всего комплекса задач по получению, анали­зу информации, упорядочению и обработке ее по формализован­ным алгоритмам. Функционирование АИС основано на вычисли­тельном процессе. При этом решаются задачи вычислительного характера, которые являются отображением функциональных за­дач системы [15].