48530 (Разработка алгоритмического и программного обеспечения ситуационного управления безопасностью магистральных газопроводов), страница 5

Под ситуацией в общем случае понимается сочетание условий и обстоятельств, создающих определенную обстановку, положение.

При исследовании организационно-технических систем управления выделяют такие понятия, как состояние, ситуация и событие (воздействие).

Под состоянием понимают систематически наблюдаемое свойство, качество, значение определенных параметров, определяющих характеристики структуры управления.

Под ситуацией подразумевают реализованные или ожидаемые предыстории состояний за некоторый интервал времени (прогнозируемые состояния). Предыстории могут отражать прошлое, настоящее или будущее состояние. При описании ситуаций обязательным элементом является описание и самого объекта, и системы управления с внешней средой.

Под событием понимают воздействие, оказываемое на структуру управления (объект управления) извне или изнутри. Объект управления функционирует в определенной среде.

Текущей ситуацией на объекте управления называют совокупность всех сведений о структуре объекта управления и его функционировании в данный момент времени. Обозначим текущие ситуации через .

Полной ситуацией называют совокупность, состоящую из текущей ситуации, знаний о состоянии системы управления в данный момент и знаний о технологии управления. Полные ситуации обозначим через .

При исследовании объекта управления обычно выделяют типовые (штатные) ситуации, соответствующие предусмотренным целям системы управления и не требующие вмешательства извне. Наряду с ними выделяют проблемные (критические, опасные) ситуации, когда определенные параметры приближаются к выходу за пределы допустимых значений и вызывают негативное воздействие на состояние объекта управления.

Исследование проблемных ситуаций и их разрешение составляют содержание ситуационного управления.

Ситуационный подход реализует требования системного подхода по конкретной реализации методов и концепций в конкретных ситуациях, по которым принимается решение. Данный подход является противопоставлением концепциям классической теории управления, основным тезисом которых являлось соответствие рациональным "принципам управления". Ситуационный подход ориентирован на тщательное изучение конкретных условий - ситуаций в управлении и гибкой адаптации организационно-управленческих форм и методов к специфике этих ситуаций. Ситуационный подход ориентирован на рассмотрение категорий "неопределенностей" при принятии решений по слабоструктурированным проблемам.

Сущность концепции ситуационного управления сводится к следующему: каждому типу конкретной ситуации должна соответствовать своя последовательность процедуры управления (сценарий) со своими критериями и методами принятия решения, предоставляющая возможность адаптации структуры управления к динамически меняющимся условиям функционирования системы управления и внешней среды.

В методе ситуационного управления обеспечивается построение модели объекта управления, построение процедуры управления им и поиск целесообразных решений по управлению им. Указанные особенности обеспечивают применимость этого метода, когда сложность объекта управления не позволяет строить его формальную математическую модель и ставить задачу управления в традиционном духе.

3.2 Функции и структура системы ситуационного управления

Метод ситуационного управления базируется на следующей гипотезе: множество всех возможных полных ситуаций значительно мощнее, чем соответствующее ему множество принимаемых решений, т.е. .

В качестве примера можно привести задачу управления автомобилем. Число возможных дорожных ситуаций - очень велико, а принимаемых решений по управлению мало (ускорение, торможение, поворот руля влево или вправо). Если множество полных ситуаций разбить на подмножества, каждому из которых можно поставить в соответствие единственное типовое решение, то задача управления, грубо говоря, сведется лишь к классификации поступающих на вход системы внешних ситуаций. Эта идея реализуется в рамках метода ситуационного управления, для чего разработан специальный язык представления и обработки описаний полных ситуаций.

Любая ситуация характеризуется набором признаков. Пусть

- значения набора признаков. Среди компонент

могут быть количественные, качественные и классификационные признаки.

Классификационные признаки отражают проявление некоторых свойств, позволяющих разбить совокупность свойств на классы

,

где - номер класса, к которому принадлежит свойство .

Анализ ситуации в соответствии с классификационными признаками позволяет построить модель принятия решения в той или иной ситуации.

На рисунке 3.1 приведена блок-схема традиционной системы ситуационного управления. Основой управления здесь является семиотическая (знаковая) модель, строящаяся в виде сети, где узлами являются внутренне непротиворечивые формальные модели, а переходы между узлами задаются правилами преобразования параметров формальных моделей -корреляционными или логико-трансформационными правилами (ЛТП). Построение семиотической модели осуществляется на языке ситуационного управления, представляющем собой достаточно сложное по структуре подмножество естественного языка.

Рисунок 3.1 - Структура системы ситуационного управления.

Здесь Анализатор по описанию текущей ситуации принимает решение о необходимости (или отсутствии таковой) применения какого-либо управления. Если управление необходимо, в действие вступает Классификатор, который должен отнести текущую ситуацию к одному или нескольким классам, соответствующим некоторому одношаговому управлению. Решение Классификатора передается Коррелятору, где хранятся все ЛТП. Если Коррелятору удается выбрать единственное ЛТП, то на объект выдается связанное с этим правилом управление; в противном случае подключается Экстраполятор, предназначенный для выбора управления путем экстраполяции и сравнения последствий всех альтернативных воздействий.

Таким образом, в общей схеме ситуационного управления Коррелятор, Классификатор и Экстраполятор совместно решают следующую задачу: перечисленные блоки позволяют формировать последовательность решений, с помощью которой можно перевести текущую ситуацию в некоторую целевую.

В силу конечности числа различных воздействий все множество возможных полных ситуаций распадается на классов, каждому из которых будет соответствовать одно из возможных воздействий на объект управления. То есть должны существовать такие процедуры (процедуры классификации), которые позволили бы классифицировать полные ситуации так, чтобы из них можно было образовать столько классов, сколько различных одношаговых решений есть в распоряжении системы управления.

Между описанием ситуаций на естественном языке и внутренними представлениями информации о них в управляющей системе существует явный разрыв. Поэтому требуется преобразовывать словесные описания во внутреннее представление. Для этого необходимо получать специфическую информацию, связанную с функционированием Анализатора. Его задача состоит в классификации поступившей информации в соответствии с теми задачами, которые должна решать система управления. Эти задачи могут быть трех типов: пополнение системы новой информацией об объекте управления или способах управления, формирование ответа на некоторый запрос на основе информации, хранящейся в системе, поиск решения в ситуации, описание которой поступило в систему. Разделение этих задач на три класса нужно производить при преобразовании входного текста во внутреннее представление. Поэтому Анализатор можно рассматривать как составную часть лингвистического процессора.

На рисунке 3.2 представлена традиционная структура лингвистического процессора, в котором анализ поступившего на вход текста идет по предложениям в порядке их поступления.

Рисунок 3.2 - Структура лингвистического процессора

Обратимся вновь к структуре системы ситуационного управления, представленной на рис.3.1

Центральной ее частью является Классификатор. С его помощью решается основная задача - получение классов ситуаций, каждый из которых однозначно или с определенными приоритетами соответствует тем или иным решениям по управлению. Очевидна важность роли процесса обобщения описаний и их классификации.

Первая особенность задач формирования понятий и классификации в ситуационном управлении - поиск прагматических признаков классификации, способных обеспечить нахождение таких обобщенных описаний ситуаций, которые позволяли бы успешно решать задачу поиска решения по управлению объектом. Именно признаки выступают в качестве параметров, на основании которых происходит выделение обобщенных понятий и строится та или иная классификация.

Вторая особенность задачи формирования понятий и обобщения ситуаций в рассматриваемой области - наличие процедур обобщения, основанных на структуре отношений, присутствующей в описании ситуаций.

Наконец, третья особенность обсуждаемых процедур, характерных для всех систем, работающих со знаниями, - возможность работы с именами, присваиваемыми отдельным понятиям и ситуациям.

Общая постановка задачи обобщения понятий и классификации имеет в данном случае следующий вид.

На множестве конкретных ситуаций найти такое разбиение их на классы, при котором каждый класс имел бы в рамках данной модели управления некоторую "разумную" интерпретацию процесса управления ситуацией. На множестве полных ситуаций необходимо выделить такое множество классов , что каждый из них допускал бы "разумную" интерпретацию для процедуры поиска решения по управлению объектом. В частности, классификация по некоторому основанию должна быть согласована с классификацией на множестве воздействий (управлений) .

Множество всех текущих ситуаций на магистральном газопроводе можно отнести к трем основным классам: безаварийная эксплуатация, предаварийное состояние, авария.

В процессе функционирования системы ситуационного управления работа по формированию классов ситуаций и уточнению ранее сформированных классов происходит постоянно, так как обучающая выборка может не исчерпывать всего богатства возможных ситуаций, складывающихся на объекте управления.

Обобщение может происходить на многих этапах, и поэтому исходные описания ситуаций и обобщенные их описания образуют иерархическую структуру, в каждом слое которой находятся описания, полученные из исходных с помощью тех или иных процедур обобщения. Если исходные описания принять за нулевой уровень, то на первом уровне будут находиться описания, полученные непосредственно из описаний ситуаций, лежащих на нулевом уровне. На второй уровень попадут описания, которые возникнут за счет применения процедур обобщения к описаниям первого уровня и т.д. Возникает как бы "слоеный пирог". Ситуации на всех уровнях соответствуют некоторым решениям по управлению. В идеале на самом верхнем уровне системы классификации возникают описания, каждому из которых соответствует определенное решение по управлению.

Когда Классификатор сформирован, то его работа заключается в следующем. Если на вход системы управления поступает некоторая конкретная ситуация, то она обогащается за счет работы процедур пополнения описаний ситуаций и поступает на нулевой уровень "слоеного пирога". С помощью вертикальных связей она обобщается до наивысшего возможного уровня. Если на этом уровне ей соответствует решение по управлению, то оно поступает из Классификатора в Коррелятор. Если же при невозможности дальнейшего обобщения данному уровню не соответствует никакого решения, то Классификатор переходит в стадию обучения.

Функциональная структура Классификатора представлена на рис.3.3.

Рисунок 3.3 - Схема функциональной структуры Классификатора

Как отмечалось ранее, планировщики формируют последовательность решений, с помощью которой можно перевести текущую ситуацию в некоторую целевую. Планировщики сначала формируют план, затем проверяют его выполнимость и эффективность, отбирают среди сформированных наилучший план, начинают его выполнение и при необходимости корректируют план при поступлении дополнительной информации от объекта управления и окружающей среды.

В данной работе используется планирование по состояниям. Понятие состояния складывается из состояния объекта управления и состояния окружающей среды. Построение плана происходит в пространстве состояний таким образом, что каждое одношаговое решение по управлению переводит систему из одного состояния в другое. План представляется в этом случае некоторой траекторией в пространстве состояний.

Задачу планирования по состояниям можно описать некоторой моделью, представленной на рис.3.4.

Рисунок 3.4 - Сеть вывода управляющего решения

При планировании в пространстве состояний необходимо найти путь, ведущий из начальной вершины (1) в какую-нибудь из вершин, символизирующих целевые ситуации или конечные состояния (9, 10 или 11). Таким образом, все разветвления в вершинах считаются альтернативными. Надо выбрать одно (любое) продолжение движения.

Совокупность дедуктивного вывода, описание модели функционирования магистрального газопровода, связанных с ней программных модулей и закономерностей функционирования магистрального газопровода вместе с процедурами их проверки образуют интеллектуальный пакет прикладных программ. В виде такого пакета в данном случае выступает Коррелятор. Его основная компонента - набор логико-трансформационных правил вида:

, где

- описание фрагмента текущей ситуации, наличие которого определяет применимость логико-трансформационного правила;

- описание преобразуемого фрагмента;

- результирующее описание нового фрагмента описания.