Автореферат (Методы и программные средства моделирования сложных динамических систем на основе темпоральной модификации раскрашенных сетей Петри)

3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. В настоящее время активноразрабатываются методы и программные средства проектированияматематического и программного обеспечения интеллектуальных системподдержки принятия решений (ИСППР), включая наиболее сложных ихпредставителей – ИСППР реального времени (ИСППР РВ). ИСППР РВпредназначены для помощи лицам, принимающим решения (ЛПР), приуправлении и мониторинге сложных динамических систем (ДС) –технических (технологических), транспортных, организационных и других – вусловиях достаточно жестких временных ограничений и при наличииразличного типа неопределенности в поступающей информации. К такимсистемам можно отнести, в частности, объекты энергетики. Важной задачей,возникающей при проектировании и разработке ИСППР РВ, являетсяразработка методов и программных средств моделирования сложных ДС,включаясредствапредставленияиоперированиявременными(темпоральными) зависимостями, как количественными, так и качественными.В ряде современных и дорогих коммерческих инструментальных комплексахдля построения сложных ДС (G2, RTworks и др.) имеются средстваотображения фактора времени и темпоральных зависимостей, однако онивесьма примитивны и не соответствуют сегодняшним требованиям.

Следуетотметить, что и ИСППР РВ относятся к классу сложных ДС – динамическихинтеллектуальных систем (ДИС), основанных на использовании методовискусственного интеллекта и поиска (вывода) решений на основе знаний.Одним из основных блоков ДИС является подсистема моделирования,используемая для анализа последствий принимаемых решений и выборанаилучших рекомендаций для ЛПР.

Вопросами моделирования сложных ДС, втом числе в плане использования средств моделирования в интеллектуальныхсистемах типа ДИС и ИСППР, посвящены многие отечественные и зарубежныеработы: Ларичева О.И., Попова Э.В., Поспелова Д.А., Вагина В.Н., ЕмельяноваВ.В., Еремеева А.П., Ковалева С.М., Кузнецова О.П., Курейчика В.М., ОсиповаГ.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., JacksonP., 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 определяют функционирование сложных ДС, и разработки методов ипрограммных средств моделирования таких процессов являются весьмаактуальными. Надежность и предсказуемость поведения сложных ДС зачастуюявляютсяболееважнымисвойствами,чемпроизводительность,модифицируемость и т.п.

Это связано с существенным риском возникновенияошибок на этапе проектирования ДС и высокой ценой проявления этих ошибокна стадии эксплуатации. Классический подход – анализ ДС как физическойсистемы, описываемой, например, дифференциальными уравнениями, – плохоприменим в силу высокой сложности подобных систем. В настоящее времяустойчивый интерес проявляется к методам разработки и анализаимитационных моделей (ИМ) сложных ДС.

В качестве базового формализмадля создания ИМ, ориентированных на использование в составе ИСППР РВ,предлагается аппарат на основе сетей Петри (СП). Предварительный анализпоказал, что модификации СП, использующие конструкции модульности ииерархичности (так называемые «СП высокого уровня») являютсяперспективным базисом для таких моделей.4Объектом исследования являются сложные ДС, для мониторинга иуправления которыми используются ДИС типа ИСППР РВ. Такие системыпредставляют собой совокупность взаимодействующих компонентов, каждыйиз которых в любой момент времени находится в некотором состоянии.Предметом исследования являются методы и программные средствамоделирования таких систем на основе темпоральной модификациираскрашенных СП (РСП).Целью данного диссертационного исследования является создание методови программных средств разработки и анализа ИМ сложных ДС на основетемпоральной модификации РСП в плане включения этих средств в составматематического и программного обеспечения ИСППР РВ.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:1) анализ существующих подходов к моделированию систем и темпоральныхзависимостей и применимости этих подходов для разработки и анализа моделейсложных ДС, являющихся объектом исследования;2) разработка методов и алгоритмов функционирования ИМ сложных ДС наоснове аппарата РСП с возможностью представления и оперированиятемпоральной информацией;3) разработка методов анализа и верификации моделей сложных ДС, длямониторинга и управления которыми используются ИСППР РВ;4) программная реализация разработанных методов и алгоритмов в плане ихвключения в программное обеспечение ДИС типа ИСППР РВ;5) экспериментальная апробация разработанных методов и инструментальныхпрограммных средств.Методы исследования.

Для решения поставленных задач использованыметоды имитационного моделирования, модели и методы представлениявремени (темпоральные логики, исчисления), теория автоматов, теория сетейПетри и их модификаций, методы разработки программного обеспечения.Научная новизна исследований заключается в следующем:1) предложен формализм РСП реального времени с поддержкой темпоральнойлогики Аллена (РСП РВ ТЛА), базирующийся на модификации РСП,ориентированный на моделирование процессов в сложных ДС и позволяющийиспользовать в качестве защитных функций переходов выражениятемпоральной логики Аллена (ТЛА);2) разработаны алгоритмы функционирования ИМ сложных ДС на основе РСПРВ ТЛА (определения допустимости перехода, разрешения конфликта,срабатывания перехода), имеющие полиномиальную оценку сложности, чтопозволяет их применение в ИСППР РВ с достаточно жесткими временнымиограничениями;3) обоснована возможность применения подхода на основе Model Checking дляверификации моделей процессов в ДС и разработан алгоритм верификации дляИМ на основе РСП РВ ТЛА, ориентированный на использование в ИСППР РВ.Практическая значимость полученных результатов заключается в созданииметодов и программных средств ИМ сложных ДС, ориентированных как наиспользование в составе современных ДИС типа ИСППР РВ, так и наавтономное применение, и расширяющих возможности таких систем исовременных компьютерных систем в целом.

Разработанные средствапозволяют упростить и формализовать процесс моделирования. Практическаязначимостьработыподтверждаетсяиспользованиемразработанногоматематического и программного обеспечения в составе комплексной системы5моделированияобъектовэлектроэнергетическойсетинакафедреэлектроэнергетических систем (ЭЭС) МЭИ, а также в учебном процессекафедры прикладной математики (ПМ) МЭИ (имеются акты об использовании).Достоверность научных результатов подтверждена теоретическимивыкладками, результатами компьютерного моделирования и сравнениемполученных результатов с данными, приведенными в научной литературе.Реализациярезультатов.Результатыдиссертационнойработыиспользовались в НИР кафедры ПМ, поддержанных грантами РФФИ (проекты№ 11-01-00140, № 12-07-00508, № 14-01-00427, № 15-07-04574), в работах погосударственному заданию Министерства образования и науки РоссийскойФедерации № 2.737.2014/К «Методы и инструментальные средствамоделирования рассуждений в интеллектуальных системах поддержкипринятия решений (СППР)», а также в программе У.М.Н.И.К.

по проекту«Разработка инструментария для создания интеллектуальных системуправления на основе модификации сетей Петри». На разработанный вдиссертационной работе программный комплекс получено свидетельство огосударственной регистрации программы для ЭВМ № 2015616435«Инструментарий для разработки моделей систем на основе темпоральныхсетей Петри с поддержкой логики Аллена» от 09.06.2015. Разработанныеметоды и программные средства используются: в учебном и научном процессахкафедры ПМ; на кафедре ЭЭС МЭИ в рамках работ по модернизацииэлектродинамической модели.Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывалисьи обсуждались на многих научно-технических конференциях и симпозиумах, втом числе на: 7-ой Международной научно-технической конференции«Интегрированные модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте»(Коломна, 2013); II-ой Международной летней школе-семинаре поискусственному интеллекту для студентов, аспирантов и молодых ученых(Тверь, 2013); международной конференции XVI-th Joint Internatioal ScientificEvents on Informatics (Болгария, Варна, 2013); 14-ой Национальнойконференции по искусственному интеллекту с международным участием КИИ2014 (Казань, 2014); VI-ой Всероссийской научно-практической конференции«Нечеткие системы и мягкие вычисления–2014» (Санкт-Петербург, 2014);XXII-ой Международной научно-технической конференции «Информационныесредства и технологии» (Москва, 2014); международном симпозиуме SPITSESymposium 2014 (Германия.

Ильменау, 2014); ежегодных «Научных сессияхМИФИ» (Москва, 2013-2015); IV и V Международных научно-техническихконференциях «Открытые семантические технологии проектированияинтеллектуальных систем» (Беларусь, Минск 2014, 2015).Публикации. Основные результаты исследования опубликованы в 19печатных работах, из них 3 – в журналах, включенных ВАК в переченьведущих рецензируемых научных журналов и изданий.Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав,заключения, списка литературы (101 наименование) и приложения.

Работасодержит 145 страниц машинописного текста (без приложения), 29 рисунков, 2таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, ее научнаяновизна и практическая значимость, сформулирована цель работы иприведено краткое содержание диссертации по главам.6В первой главе рассматриваются понятия ДС, ДИС, ИСППР РВ.