Диссертация (Методы и программные средства моделирования сложных динамических систем на основе темпоральной модификации раскрашенных сетей Петри), страница 2

К таким системам можноотнести, в частности, объекты энергетики. Важной задачей, возникающей припроектировании и разработке ИСППР РВ, является разработка методов ипрограммныхсредствмоделированиясложныхДС,включаясредствапредставления и оперирования временными (темпоральными) зависимостями, какколичественными, так и качественными. В ряде современных и дорогихкоммерческих инструментальных комплексах для построения сложных ДС (G2,RTworks и др.) имеются средства отображения фактора времени и темпоральныхзависимостей, однако они весьма примитивны и не соответствуют сегодняшнимтребованиям.Следует отметить, что и ИСППР РВ относятся к классу сложных ДС –динамических интеллектуальных систем (ДИС), основанных на использованииметодов искусственного интеллекта и поиска (вывода) решений на основе знаний.Одним из основных блоков ДИС является подсистема моделирования,используемая как для имитации процессов в сложных ДС, так и для анализапоследствий принимаемых решений и выбора наилучших рекомендаций для ЛПР.Вопросами моделирования сложных ДС, в том числе в плане использованиясредств моделирования в интеллектуальных системах типа ДИС и ИСППР,посвящены многие отечественные и зарубежные работы: Ларичева О.И.,9Попова Э.В., Поспелова Д.А., Вагина В.Н., Емельянова В.В., Еремеева А.П.,Ковалева С.М., Кузнецова О.П., Курейчика В.М., Осипова Г.С., Петровского А.Б.,Рыбиной Г.В., Стефанюка В.Л., Федунова Б.Е., Фоминых И.Б., Ярушкиной Н.Г.,Ashby W.R.,Forgy C.,Giarratano J.C.,Jackson P.,Luger G.F.,Macko D.,Mesarovich M.D., Nilsson N.J., Norvig P., Raffa H., Rassel S.J., Zadeh L.A.

и др.Задачи исследования процессов и закономерностей, которые определяютфункционирование сложных ДС в различных ситуациях, и разработки методов ипрограммных средств моделирования таких процессов, являются весьмаактуальными, поскольку надежность и предсказуемость поведения сложных ДСзачастую являются более важными свойствами, чем производительность,модифицируемость и т.п.

Это связано с существенным риском возникновенияошибок на этапе проектирования ДС и очень высокой ценой проявления этихошибок на стадии эксплуатации. Однако классический подход – аналитическийанализДСкакфизическойсистемы,описываемой,например,дифференциальными уравнениями, – плохо применим в силу высокой сложностиподобных систем.В настоящее время устойчивый интерес проявляется к методам разработкии анализа имитационных моделей (ИМ) сложных ДС. В качестве базовогоформализма для создания ИМ, ориентированных на использование в составеИСППР РВ, предлагается аппарат на основе сетей Петри (СП).

Предварительныйанализ показал, что некоторые модификации СП, использующие конструкциимодульности и иерархичности (так называемые «СП высокого уровня») являютсяперспективным базисом для таких моделей.Объектом исследования являются сложные ДС, для мониторинга иуправления которыми используются ДИС типа ИСППР РВ. Такие системыпредставляют собой совокупность взаимодействующих компонентов, каждый изкоторых в любой момент времени находится в некотором состоянии.Предметом исследования являются методы и программные средствамоделированиятакихраскрашенных СП (РСП).системнаосноветемпоральноймодификации10Целью данного диссертационного исследования является разработкаметодов и соответствующих программных средств, позволяющих создавать ИМсложных ДС, для управления и мониторинга которых используются ДИС типаИСППР РВ, на основе темпоральной модификации РСП.Для достижения поставленной цели в диссертационной работе требовалосьрешить следующие научно-практические задачи:1) анализсуществующихподходовкмоделированиюсистемитемпоральных зависимостей и применимости этих подходов для разработки ианализа моделей сложных ДС, являющихся объектом исследования;2) разработка методов и алгоритмов функционирования ИМ сложных ДСна основе аппарата РСП с возможностью представления и оперированиятемпоральной информацией;3) разработка методов анализа и верификации моделей сложных ДС, длямониторинга и управления которыми используются ДИС типа ИСППР РВ;4) программная реализация разработанных методов и алгоритмов в планеих включения в программное обеспечение ДИС типа ИСППР РВ;5) экспериментальнаяапробацияразработанныхметодовиинструментальных программных средств.Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованыметоды имитационного моделирования, модели и методы представления времени(темпоральные логики, исчисления), а также теория автоматов, теория сетейПетри и их модификаций, методы разработки программного обеспечения.Научная новизна исследований заключается в следующем:1) предложенформализмРСПреальноговременисподдержкойтемпоральной логики Аллена (РСП РВ ТЛА), ориентированный на моделированиепроцессов в сложных ДС и позволяющий (в отличие от базового формализма РСПРВ) использовать в качестве защитных функций переходов сети выражениялогики Аллена, определяющие темпоральные связи между местами сети;2) предложены оригинальный метод моделирования ДС на основе РСП РВТЛА и ряд соответствующих алгоритмов – определения допустимости перехода,11разрешенияконфликтаперехода,срабатыванияперехода,имеющиеполиномиальную оценку сложности, что позволяет их применение в ИСППР РВ сдостаточно жесткими временными ограничениями;3) обоснована возможность применения подхода на основе Model Checkingдля верификации моделей процессов в ДС и предложен алгоритм верификацииИМ на основе РСП РВ ТЛА, ориентированный на использование в ИСППР РВ.Практическая значимость полученных результатов заключается всоздании методов и программных средств ИМ сложных ДС, ориентированных какна использование в составе современных ДИС типа ИСППР РВ, так и наавтономное применение, и расширяющих возможности таких систем исовременных компьютерных систем в целом.

Разработанные средства позволяютупростить и формализовать процесс моделирования. Практическая значимостьработы подтверждается также использованием разработанного математического ипрограммного обеспечения в составе комплексной системы моделированияобъектов электроэнергетический сети, а также в учебном процессе кафедрыПрикладной математики (ПМ) НИУ «МЭИ», о чем имеются акты обиспользовании.Достоверность научных результатов подтверждена теоретическимивыкладками, результатами компьютерного моделирования, а также сравнениемполученных результатов с данными, приведенными в научной литературе.Реализациярезультатовдиссертации.Результатыдиссертациииспользовались в НИР, выполненных при поддержке грантами РФФИ (проекты№11-01-00140, №12-07-00508, №14-01-00427 и №15-07-04574) на кафедреПрикладной математики Московского энергетического института, в работах погосударственному заданию Министерства образования и науки РоссийскойФедерации№2.737.2014/К«Методыиинструментальныесредствамоделирования рассуждений в интеллектуальных системах поддержки принятиярешений (СППР)», а также в программе У.М.Н.И.К.

по проекту «Разработкаинструментария для создания интеллектуальных систем управления на основемодификации сетей Петри». На разработанный в диссертационной работе12программный комплекс получено свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ № 2015616435 «Инструментарий для разработки моделейсистем на основе темпоральных сетей Петри с поддержкой логики Аллена» от09.06.2015. Разработанные методы программные средства используются накафедре Прикладной математики «НИУ «МЭИ» в учебном и научном процессах(акт об использовании); на кафедре Электроэнергетических систем «НИУ «МЭИ»в рамках работ по модернизации электродинамической модели (акт обиспользовании).Содержаниеработы.Вовведенииобоснованаактуальностьтемыдиссертации, её научная новизна и практическая значимость, сформулированацель работы и приведено краткое содержание диссертации по главам.В первой главе рассматриваются понятия ИС, ДС, ДИС, ИСППР РВ.Сформулированы характерные особенности рассматриваемых сложных ДС.Проведен анализ подходов к представлению и моделированию времени всложных системах, по результатам которого сделан вывод о том, что подходы,основанныенаявномпредставлениивременииориентированныенаиспользование интервальных темпоральных логик, характеризуются бо́льшимивыразительнымивозможностями, чем методы на основе моделированияизменений системы во времени.

Сделан вывод о том, что эффективным путемрешения поставленной задачи является выбор некоторого существующегобазисного формализма и его последующая модификация с целью разработкиперспективногомоделированияматематическогоианализаисложныхпрограммногоДС.обеспеченияСформулированыдляхарактерныеособенности такого базового формализма. Рассмотрены графические формализмыконечных автоматов (КА), временных автоматов (ВА), сетей автоматов, СП.Сделан вывод о том, что для имитационного моделирования сложных ДСперспективным средством являются сети ВА и СП. В качестве основного объектадальнейших исследований выбрана модификация аппарата СП – РСП, посколькувизуальный анализ модели на основе ВА, являющейся композицией моделейотдельных компонентов системы, крайне сложен из-за большого числа элементов.13Втораяглавапосвященатеоретическимаспектаммоделирования.Приведено формальное описание сложной ДС в виде А-системы – совокупностивзаимодействующих компонентов, каждый из которых в любой момент временинаходится в одном из возможных состояний.

Приведено формальное описаниетемпоральной модификации аппарата РСП – РСП РВ, которая в общем случаеподдерживает количественные, но не качественные темпоральные зависимости.Формально определены правила смены маркировок, определения допустимости исрабатывания переходов, приведено описание алгоритма разрешения конфликтовпереходов с помощью функции приоритетов. Описаны правила, по которымможно определить процессы в А-системе, индуцированные ее моделью РСП РВ.Предложен аппарат, расширяющий возможности РСП РВ – РСП РВ с поддержкойтемпоральной логики Аллена.