Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

УДК 004.65

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Швидкий пошук різноформатних даних в граничних режимах систем управління

05.13.06 - інформаційні технології

Міюшкович Юлія Георгіївна

Львів - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті «Львівська політехніка» Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Сікора Любомир Степанович, Національний університет «Львівська політехніка», професор кафедри автоматизованих систем управління.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Пасічник Володимир Володимирович, Національний університет «Львівська політехніка», завідувач кафедри інформаційних систем та мереж;

доктор технічних наук, професор, Поморова Оксана Вікторівна, Хмельницький Національний університет МОН України, професор кафедри системного програмування.

Захист відбудеться 03.11.2010 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д35.052.14 Національного університету «Львівська політехніка» (79013, м. Львів, вул. С. Бандери, 28а, ауд. 807, V навчального корпусу).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету «Львівська політехніка» за адресою 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 02.10.2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради к.т.н., доцент А.Є. Батюк.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Сучасний розвиток промисловості характеризується зростанням вимог до інформаційного забезпечення інтеґрованого організаційно-адміністративного управління на верхньому рівні ієрархії та жорсткими вимогами до систем збору даних про стан об'єктів і технологічного процесу на нижньому рівні автоматизованої системи управління технологічним процесом (АСУ-ТП).

Для систем зі сталою структурною організацією задачі стратегічного управління розв'язані на основі системного аналізу, теорії прийняття рішень, за допомогою автоматизованих систем управління. Якщо задачі сталого режиму розв'язанні досить точно та з високим рівнем ефективності, то напружені виробничі плани в умовах збурень створюють загрози виходу на граничні режими складної технологічної системи, що породжує зростання вимог як до оперативного персоналу, так і до можливостей АСУ-ТП щодо забезпечення безаварійних режимів.

При функціонуванні інтелектуальних автоматизованих систем управління (ІАСУ) в умовах максимальних навантажень, які характеризуються невизначеністю при дії зовнішніх факторів, виникають граничні режими, які впливають на процес управління, відбір даних та можливість оцінення їх змісту. Неповнота інформації з розмитим змістом впливає на інтелектуальні та когнітивні компоненти формування і прийняття рішень оперативним персоналом.

Незважаючи на істотні досягнення в теорії управління систем (Месарович М., Такахара М., Глушков В.М. Поспелов Д.А. - теорія побудови моделей ієрархічних систем і ситуаційне управління), існує клас нерозв'язаних задач, пов'язаних з інформаційним забезпеченням процесу управління в граничних режимах, при яких зростає роль інтелектуального потенціалу оперативного персоналу, що є основою стабільного функціонування структури системи управління. Характерною для таких систем є важливість ролі координаційного управління ситуаціями, які можуть виникнути в системі й об'єктах управління. При цьому важливо забезпечити врахування комплексної дії збурювальних факторів на граничні режими функціонування потенційно-небезпечних об'єктів (ПНО) управління для запобігання аварійним ситуаціям шляхом зменшення часу для прийняття рішення. Тому зростає роль інформаційного забезпечення для підтримки прийняття рішень, яке має передбачати такі інформаційні компоненти: знання про структуру і режими функціонування об'єктів, дані від сенсорів всіх аґреґатів і об'єктів управління, засоби швидкого доступу до баз даних для забезпечення оперативного персоналу змістовною інформацією.

Питання швидкого доступу в базах даних і вплив психологічного стану оператора на формування запиту до баз даних не було досліджено в повній мірі. Тому актуальною є задача розроблення інформаційної технології для забезпечення швидкого пошуку оперативних різноформатних даних в інтеґрованих системах управління, які функціонують у граничних режимах виробничого навантаження при коротких термінах для прийняття рішень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Відображені в дисертації дослідження виконувалися в рамках НДР кафедри АСУ «Інтелектуалізація систем керування» (номер держреєстрації 0107U010238), науково-дослідних проектів НДВ ТзОВ ЦСД «ЕБТЕС» на Бурштинській ТЕС «Створення автоматизованої системи для контролю викидів в атмосферу Бурштинської ТЕС» (№ПР-16/2004 від 15.03.2004 по 31.12.2009), «Система лазерного контролю концентрації вугільного пилу в вуглепроводах енергоблоків №4,7,10,11» (договір №ПР-2004 від 9.09.2004 по 31.12.2009), «Лазерний концентратомір для контролю концентрації вугільного пилу на пилопроводах РПС блоків №9а, 9б, 4б Бурштинської ТЕС» (№495ПР від 2.10.2008).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розроблення інформаційної технології інтелектуальної підтримки прийняття рішень для управління ієрархічною структурою на основі використання інформаційно-пошукової системи з базою даних, побудованою за принципом В⁺-дерева.

Для досягнення зазначеної мети у дисертаційній роботі необхідно розв'язати такі задачі:

· проаналізувати наявні методи і засоби побудови інформаційно-пошукових систем зі швидким доступом до баз різноформатних даних для швидкого оцінювання можливостей виходу системи у граничний режим;

· виходячи зі структури потенційно-небезпечного об'єкту ієрархічної системи, розробити метод формування бази різноформатних даних для ефективного подання образів динамічних ситуацій;

· розробити інформаційну технологію забезпечення швидкого однокритеріального пошуку даних на основі використання ієрархічних ключів для адекватного відображення ієрархічної структури системи;

· на основі відображення граничних режимів у цільовому просторі станів розробити інформаційно-логічну схему діалогу оператора з інформаційно-пошуковою системою для забезпечення змістовного оцінювання динамічних параметрів ПНО;

· розробити інформаційну технологію автоматизованого формування запитів до баз даних для зменшення можливості виникнення змістовних і синтаксичних помилок у структурі запиту.

Об'єкт дослідження - процес пошуку релевантної та пертинентної інформації у нормальних і граничних режимах функціонування ієрархічної системи.

Предмет дослідження - методи й алгоритми розв'язання задач швидкого пошуку у базах даних систем підтримки прийняття рішень для управління технічними об'єктами.

Методи дослідження ґрунтуються на основних положеннях теорії автоматичного управління для опису технологічних об'єктів ієрархічних систем, системного аналізу процесів управління у граничних режимах, теорії ієрархічних систем для відображення структури і організації складних об'єктів, математичній логіці для побудови логічних моделей прийняття рішень, теорії баз даних для синтезу структури бази даних інформаційно-пошукової системи.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі теоретичних та практичних досліджень отримано такі результати:

1) вперше розроблено:

· метод формування бази даних, який, завдяки використанню принципу В⁺-дерева, дав змогу отримати самоадаптивну структуру бази даних для подання образів динамічних ситуацій;

· метод формування ієрархічного ключа як атрибута L-таблиць, який за рахунок самоадаптивної структури бази даних на основі використання принципу В⁺-дерева дав змогу забезпечити в термінальному часі швидкий однокритеріальний пошук даних як основи визначення індикаторів граничних режимів;

2) вдосконалено:

· інформаційно-логічну схему діалогу з використанням швидкого пошуку в базі даних з автоматичним наповненням у реальному часі, яка є основою розбиття цільового простору на класи альтернатив і виділення граничних режимів;

· технологію формування запитів до баз даних шляхом розроблення спеціалізованого графічного інтерфейсу користувача для мінімізації виникнення синтаксичних помилок в запитах до баз даних;

3) набули подальшого розвитку елементи інформаційної технології побудови системи підтримки прийняття рішень на основі оптимального формування логічних схем побудови запитів із конструктивним змістом для забезпечення інтелектуальної підтримки оператора у граничних режимах функціонування технічної системи та у стресових ситуаціях.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що використання отриманих результатів забезпечує підвищення ефективності прийняття рішень. Результати експериментальних досліджень із використанням розробленого програмного забезпечення підтверджують правильність наукових положень, запропонованих методів і моделей, використаних при формуванні і прийнятті рішень та опрацюванні даних. Основні результати дисертаційної роботи застосовані при розробленні проектів згідно з договорами НДВ ТзОВ ЦСД «ЕБТЕС» з Бурштинською ТЕС в системах контролю концентрації викидів вугільного пилу і при вивченні дисципліни «Проектування інтеґрованих систем автоматизованого управління» для спеціальності 7.080401 «Інформаційні управляючі системи та технології» Національного університету «Львівська політехніка».

Особистий внесок здобувача. Всі основні результати дисертаційного дослідження, подані до захисту, одержані автором особисто. У друкованих працях, опублікованих у співавторстві, автору належить: [1] - аналіз логічної структури N-варіантного умовного оператора, [2] - використання В⁺-дерева для проектування бази даних з мультиформатними даними, [3] - модель процесу пошуку інформації в мережі Internet, [4] - використання N-арних дерев пошуку знань, [5, 6] - результати аналізу пошукових систем, [7] - логічна модель декомпозиції стратегій, [8, 9] - когнітивні особливості людини при формуванні рішень, [10] - модель цілеорієнтації, [11] - інформаційне забезпечення формування стратегій управління, [12] - інформаційне забезпечення в логічних процедурах висновків про стан системи, [13, 14] - інформаційне забезпечення координаційних стратегій, [15] - процедури стратифікації структури ієрархічної системи, [16, 17] - моделі формування експертних знань у граничних режимах.

Апробація результатів досліджень. Основні положення та результати виконаних у дисертації досліджень доповідалися й обговорювалися на 7 Міжнародних і Всеукраїнських конференціях, а саме: Міжнародна наукова конференція студентів, аспірантів та молодих науковців «Комп'ютерні науки та інженерія» (м. Львів, CSE-2007), Міжнародна конференція з автоматичного управління «Автоматика» (м. Одеса, «Автоматика-2008»; м. Чернівці, «Автоматика-2009»), Міжнародний радіоелектронний форум «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» (м. Харків, МРФ-2008), Міжнародна науково-технічна конференція «Досвід розробки і застосування САПР в мікроелектроніці» (м. Поляна-Свалява, CADSM-2009), Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій та комп'ютерної інженерії» (Львів - Славське, TCSET'2010), Міжнародна науково-технічна конференція «Перспективні технології і методи проектування МЕМС» (м. Поляна-Свалява, MEMSTECH -2010) .

Публікації. Основні матеріали дисертації викладено в 25 наукових публікаціях, серед яких 17 статей у фахових виданнях, що входять до переліку видань, затверджених ВАК України, з них одноосібних 3.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація загальним обсягом 165 сторінок складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури і додатків. Основний текст дисертації викладено на 143 сторінках. Бібліографічний список містить 151 найменування.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання роботи, наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів, показано зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами. Наведено дані про впровадження результатів роботи, її апробацію, публікації та особистий внесок здобувача.

В першому розділі розглянуто структурну організацію ієрархічної автоматизованої системи управління технологічним процесом, проаналізовано загальні характеристики ІАСУ-ТП. Виділено типи, моделі та класи інформаційних потоків, що відображають динаміку і їх маршрути на всіх рівнях ієрархії. Описана взаємодія потоків даних, їх фізико-механічні та енергетичні перетворення в процесі генерування електроенергії. Розглянуто моделі систем відбору даних, обґрунтовано особливості їх опрацювання в граничних режимах на основі концепції спряження простору станів, цільового і термінального просторів. Показано важливість термінальної компоненти часу та її мінімізації при формуванні рішень в граничних режимах. Відповідно до поставлених задач дослідження розглянуто структуру аґреґатної організації енергоблоків теплової електростанції (ТЕС) та проаналізовано інформаційні потоки. Визначення міжаґреґатних функціональних зв'язків в структурі ТЕС дозволило побудувати узагальнене відображення функціональної агреґатної ієрархії в ТЕС.

Відповідно до задачі відбору різнотипних даних визначено класи і типи інформаційних потоків в системах управління, які є підставою для створення інформаційних образів ситуацій в нормальних і граничних режимах.

Для синтезу структури бази даних обґрунтовано класи довідкових даних для відображення структури та динаміки об'єктів і систем. Обґрунтовано класи даних для подання структурованих знань в базах даних і знань. Проаналізовано дані для опису когнітивних процесів при формуванні та прийнятті рішень, а також шкали та структури даних, їх представлення в інформаційних системах.

Побудовано схему опрацювання даних від приладів оперативного контролю когнітивною сенсорною системою (рис. 1). Виділено типи інформаційних запитів, які умовно можна поділити на: запити про значення показів від сенсора Д_i (чи групи сенсорів) за період часу (t, t+Дt) для моніторингу динаміки системи; запити для отримання технічної, конструкторської, довідкової інформації (документації) стосовно конкретного вузла, механізму, аґреґату системи; запити для отримання прогнозної оцінки розвитку ситуації на основі наявних архівних і оперативних даних від сенсорів системи.

Рис. 1. Схема опрацювання даних від приладів оперативного контролю когнітивною сенсорною системою.

Для розв'язання задачі прийняття рішень у виробничих структурах, як в нормальних штатних, так і в надзвичайних ситуаціях розглянуто інформаційні і системні технології та логіко-математичні методи для побудови процедур розпізнавання та виділення граничних режимів ПНО.

Поведінку потенційно небезпечного об'єкту вигідно зобразити у просторі станів як моделі траєкторії зменшення в часі параметра стану. Уведення концепції цільового простору спряженого з простором станів, дозволяє відслідковувати процес прийняття рішень на дискретних інтервалах часу при ручному або автоматизованому управлінні.

Уведення поняття термінального ситуаційного простору дозволяє виробити новий погляд на методику синтезу координаційних стратегій управління на основі процедур ідентифікації ієрархії та розбиття цільового простору. Це дозволяє врахувати для кожного рівня вимоги до надійності, енергоресурсу, рівня запасу функціональної і конструктивної стійкості, рівня післяремонтного відновлення і запасу міцності, що є характерним для складних систем і є підставою для функціонування в граничних режимах.

Виділено класи задач управління в граничних режимах, оскільки керівні дії носять термінальний характер, тобто на момент виникнення загрозливої ситуації необхідно: вжити заходів для їх попередження і ліквідації, визначити ключові механізми управління аґреґатами, сформувати ієрархію оперативно-командного управління і синтезувати координаційні стратегії та побудувати тактичні плани її реалізації на всіх рівнях ієрархії, виконати план дій для ліквідації загроз.

Центральним елементом СППР є база знань, яка формується на основі витягання знань у експертів, при цьому в структуру процедур прийняття рішень закладена концепція навчання, властива людині. Для прийняття рішень з СППР необхідно обробляти людські знання.

Системи підтримки прийняття рішень є інтеґрованими людино-машинними ієрархічними структурами, які допомагають оперативному персоналу при формуванні керівних дій на структуру і режими об'єктів. Формування образів ситуацій відбувається виходячи з: даних про структуру і динаміку об'єкту, знань про поведінку і структуру об'єктів.

Важливим є вміння оперативного персоналу АСУ поєднувати власні суб'єктивні переваги з комп'ютерним аналізом ситуації, вести діалог з базами даних і знань при неповній інформації про поточну ситуацію .

Системи підтримки прийняття рішень виконують певні інтелектуальні і інформаційні функції: проводять динамічну оцінку ситуації, ґенерують процедуру вибору критеріїв і виробляють оцінку їх відносної важливості на розбитті критеріального простору системи, ґенерують сценарії дії, здійснюють експертне оцінювання сценаріїв дій і їх розвитку, забезпечують постійний обмін інформацією про хід процесів прийняття рішень на управління виробництвом і допомагають погоджувати командні рішення, забезпечують моделювання процесів розвитку ситуацій, збирають дані про хід динамічних ситуацій, формують механізм пошуку в уявній моделі, що керує діяльністю. інформаційний автоматизований ієрархічний

В другому розділі розроблено логічні та евристичні процедури прийняття рішень в ієрархічних системах.

Важливим моментом у попереджені аварій і катастроф є прийняття рішень і їх реалізація на управління складним техногенним комплексом на основі адекватного інформаційного забезпечення про ситуацію і стан об'єктів управління у граничних режимах. При цьому можемо виділити такі етапи функціонування ІАСУ структур: функціонування техногенно-виробничих систем як окремих цілеорієнтованих систем; початкова дія загроз природного і технічного, енергетичного характеру, як збурювальний фактор збоїв режиму технологічної системи, що приводять до виникнення аварійної ситуації; дія загроз і зміна навантажень, що є початком формування процесу управління в ієрархічній системі для недопущення ризику і аварій; самоорганізація при синтезі стратегій на рівні ієрархічної координаційної системи з мобілізацією всіх структур і ресурсів для недопущення граничних і аварійних режимів; реалізація координаційної стратегії запобіганню переходу через граничну смугу параметра стану та вибору ефективних методів недопущення і ліквідації аварій.

Відповідно сформульовано прикладну задачу структуризації ієрархічних систем за інформаційним та керівним напрямках. Сформульовано задачі створення структури й аналізу динаміки всіх аґреґатів, блоків, які утворюють технологічну лінію (енергоблок) з повним забезпеченням ресурсами згідно планів навантаження. Згідно з прогнозом необхідного термінального часу для прийняття рішень, оцінюється достатність часу на формування керівних протиаварійних команд та інформаційна підтримка формування і прийняття керівних рішень щодо запобігання НС в технічній системі.

Відповідно до поставлених задач сформовано процедуру структурного синтезу та стратегічного управління, в яку входять: узгодження цільових завдань з функціонально-повною ієрархічною структурою яка може забезпечити розв'язання задачі досягнення мети; ідентифікація структурної організації об'єкту управління з ПНО-ТЕС на основі інформаційно-ресурсної концепції, включно з виконавчими механізмами; побудова процедури синтезу стратегій досягнення мети ієрархічною системою інтеґрального управління.

Логіка опису структури систем і ситуацій ґрунтується на класичній теорії предикатів і когнітивній психології, яка зображає людину і процеси її мислення згідно з концепцією «Я-системи» (що має свідомий і підсвідомий компонент). Відповідно для опису змісту ситуації необхідно використовувати логіки предикатів, часові логіки, розмиті логіки (нечіткі події) і їх комплексування для опису подій і їх сценаріїв розвитку в часі.

Для аналізу сценаріїв подій використовуються спрощені моделі у векторному поданні з індикатором поведінки

,

де С( ) - еталонний вектор.

Процедура вибору рішень ґрунтується на умові:

де - керівничі команди на вибір стратегії поведінки при зміні факторів впливу , T_m - термінальний цикл, V_q - гранична область ПS, K(U) - командне управління.

Логіка вибору рішень людиною для кожного випадку залежить від схеми переваг згідно з зовнішньою і внутрішньою цілеорієнтацією та уявою про ідеальний еталонний об'єкт з аґреґованими характеристиками і набором критеріїв.

Процес вибору альтернатив полягає у конструюванні (свідомому і підсвідомому) компонентів процедури: зображенні простору альтернатив, зображенні способу можливий дій, процедурі вибору релевантних переваг.

Ефективним є підхід, що базується на концепції інтелектуального управління, який передбачає такі компоненти: приймання й опрацювання даних від об'єктів інформаційно-вимірювальною системою; формування образів ситуації у просторі станів об'єкта, дискримінація і їх класифікація; побудова дерев рішень на альтернативному розбитті цільового простору станів системи управління згідно зі стратегією досягнення мети; формування логічних схем, команд управління виконавчими механізмами згідно з тактикою; відслідковування траєкторії руху системи та прогноз можливих ситуацій; оптимізація й адаптація стратегій цілеорієнтованої поведінки.

Активна поведінка визначається як ціленаправлена дія, яка веде за рахунок використання енергії фізико-хімічних перетворень в ході технологічного процесу до кінцевої мети за визначений термінальний час.

Структурна схема тверджень про ситуацію на основі процедури перевірки гіпотез має вигляд:

де - модель опису ситуації в момент , яка визначає логічну структуру процедури класифікації ситуацій в алгоритмах прийняття рішень.

Важливим моментом в теорії логіки дій є введення деревовидного універсуму (концепції, категорії) як дерева рішень гри, на основі n-місних деревовидних відношень досяжності мети. У типовій ситуації дії оператора (ОПР) або системи управління мають можливість вибору альтернативи, тобто на перше місце виступає процедура вибору як елемент стратегії досягнення цільової позиції згідно з даними, одержаними від інформаційно-пошукової системи (ІПС).

Розроблено формальну процедуру вибору у вигляді інформаційно-логічної послідовності , враховуючи це, дерево вибору набуде вигляду: а стратегія визначає набір керівних дій з вибору альтернатив:

.

Відповідно до процедури синтезу стратегій і планів розглянуто схеми логічного виведення в рамках класичної логіки і їх інтерпретація в часовій логіці. Розроблено подання експертної інформації у вигляді системи нечітких виведень з прив'язкою до термінального часу.

В третьому розділі розв'язана задача комплексування інформаційно-вимірювальних систем для оперативної оцінки ситуацій і граничних режимів в ієрархічних системах.

Комплексування інформаційно-вимірювальних систем, СППР та експертних знань використовується для оперативної підтримки управління в умовах надзвичайних ситуацій на ПНО які функціонують в граничних режимах навантаження.

Інтелектуальна діяльність особи тоді виступає як функція планування поведінки і цільового розв'язання проблем на основі знань про об'єкт, систему, ситуацію. При цьому з'являється можливість автоматизованого видобування знань на основі планування експериментів із використанням інформаційно-вимірювальних комплексів для наповнення бази даних в реальному часі (в автоматичному режимі).

Згідно з вищезгаданою задачею побудовано структуру СППР з відповідним рівнем інтелекту, яка містить певні рівні та компоненти:

1) рівень діалогу : <Потенційно - небезпечний об'єкт - інформаційно-вимірювальна система - ІА_е - інтелектуальний агент з функціями експерта >;

2) рівень вибору і опрацювання ситуаційних даних, який включає: лінгвістичний процесор, процесор обробки даних, логічний модуль оцінки достовірності даних, інтерпретатор даних;

3) рівень інтелектуального опрацювання проблемних ситуацій та цільових задач, в який входить: процесор виконання програми розв'язку задачі, диспетчер задач для розв'язання проблемних динамічних ситуацій, логічний контролер оцінення непротирічності схеми розв'язання проблемної задачі, мультимедійна система виведення динаміки процесу розв'язання ситуацій.

Класифікація ситуацій відбувається на основі перевірки гіпотез про розходження траєкторії системи в реальному часі відносно цільової задачі і згідно з правилами:

H_1с:Z(t,u,о_j)V(C|ПС)[Real C_j],

H:Z(t,u,о_j)V(C|ПС)[Real C_j],

Динамічна розбіжність траєкторій руху до мети на основі метрики відносно має вид:

.

Ефективність управління згідно функціоналів якості визначається на основі гіпотез:

де (H_1c,H_2c) - цілеорієнтаційні гіпотези відносно параметра стану управління, u_i - збурення о, - цільова область у просторі системи; - клас цільових стратегій; _r - траєкторне розходження; - функціонали якості; opt - оптимізація стратегій; koord[] - координація.

Координованість підсистем n-го рівня ієрархії визначає таку керівну дію на підсистеми, яка змушує їх узгоджено функціонувати згідно з локальною метою так, щоб вся система досягла поставленої мети (рис. 2). На рис. 2 наведено схему вибору стратегії координації для ієрархічної системи управління, де ТС - технічна система, ФР_i - фактори ризику, ДР_У - джерела ресурсів, СУ-АСУ - система управління технічним процесом, OIA - оператор-інтелектуальний аґент, П_РЗ - проблемна задача.

Оскільки системи нижнього рівня мають власні цілі, які можуть не співпадати з цілями верхніх рівнів ієрархії, то можливе виникнення конфліктів за ресурси, стратегії управління, цілеорієнтації, що приводить до унеможливлення досягнути ґлобальної мети. Дії стратегічного координатора спрямовані на: декомпозицію ґлобальної мети в локальні; узгодження стратегій досягнення цілей та термінів реалізації; узгодження розподілу ресурсів для всіх рівнів ієрархії; розподіл повноважень на прийняття рішень для кожного рівня ієрархії, та визначення пріоритетів; формування набору ранґових критеріїв якості управління, пов'язаних з оптимізацією ризику, рівня витрат ресурсів, ґарантіями досягнення мети.

Координація, як діяльність керівної системи, є цілеформуючою та пов'язана розв'яанням задач які ґенерують ситуації на локальному і термінальному циклі.

Для оператора характерним є подання ситуацій різними мовними та мультимедійними засобами: мовою і логікою для відображення змісту цілей управління, описом образів ситуацій в просторі станів і цільовому просторі, мовою опису способу дій та команд, знаковим і символьним відображенням образної інформації тощо.

Рис. 2. Схема вибору стратегії координації для ієрархічної системи управління.

Відповідно, маємо розриви в якісному відображенні інформації, тобто перехід від кодової мови до мови значень і сутностей, змісту, які виступають медіаторами інформаційних переходів в ієрархії нейроструктур мозку. Тоді в квазіінтелектуальних системах необхідно вводити у когнітивні моделі операторів опис значень параметру, функціонального змісту об'єктів, систем і базових понять та їх семантичних перетворень. Виходячи з тріади пізнання в інженерії знань: видобування знань; структурування знань; логіко-математичного цільового оперування знаннями, можна сформувати інформаційно-логічну структуру інтелектуального аґента як відображення інформаційної моделі процесу прийняття рішення оператором технічної системи.

На основі відомостей про елементи розумової діяльності (формування окремих понять, формування інтелектуальних дій, формування зорових і звукових образів, психологічну структуру діяльності і способи реалізації керівних дій, структуру і оперування знаннями у когнітивних нейрополях, структуру когнітивних полів, які формують поняття, зміст, значення об'єктів, афектні вольові, цільові дії) розроблено інформаційну технологію створення інтерфейсу діалогу з ІПС.

Проблемні задачі управління технологічними системами з аґреґатною структурою об'єктів мають високий рівень складності формування цільових керівних дій і планів їх координації. Розроблення технології діалогу з БД з швидким доступом забезпечує ефективне управління в граничних режимах функціонування ПНО.

В четвертому розділі обґрунтовано положення про те, що найбільш універсальним методом зображення знань про технічну систему є використання n-арного таксонометричного дерева з обмеженою глибиною (з фіксованою кількістю рівнів ієрархії). Додавання нових знань в n-арне таксонометричне дерево може відбуватися на будь-якому рівні ієрархії, тобто розширення дерева відбувається за принципом «в ширину», тому доцільним є обмеження глибини дерева на рівні N (де N визначається відповідно до конкретних задач предметної області), оскільки одночасне розширення дерева за двома напрямками призведе до надмірного ускладнення алгоритму пошуку інформації у дереві.

Організація структури сховища для документів є|з'являється,являється| одним з найважливіших|поважніших| чинників|факторів| продуктивності інформаційної системи документообігу. Невдала структура сховища може суттєво знизити швидкість роботи з|із| документами залежно від наповненості бази даних. Специфіка проектування великих технічних систем передбачає використання уніфікованих назв у конструктивних елементах, що, відповідно, є причиною існування повторень у назвах технічних креслень, документів. Наявність таких повторень у значеннях атрибутів типу «назва документу» та «короткий опис документу» є причиною виникнення помилок та надлишковості при пошуку необхідної інформації засобами стандартних програмних продуктів для забезпечення документообігу.

Важливим завданням при проектуванні інформаційних систем підтримки прийняття рішень великих технічних об'єктів є вибір структури бази даних, яка могла б забезпечити необхідну релевантність (відповідність отриманої інформації до інформаційного запиту) та пертинентність (відповідність отриманої інформації до інформаційної потреби) при пошуку технічної документації згідно із запитом оператора.

Технологічні особливості створення технічної документації (повторення значень в атрибутах) приводять до унеможливлення класичного пошуку лише за одним атрибутом (наприклад, за назвою документу). Використання ж багатокритеріального пошуку (за багатьма атрибутами) сповільнює саму процедуру пошуку прямопропорційно до кількості даних в базі даних.

Оптимальним підходом при проектуванні структури БД вищезгаданої інформаційної системи, яка орієнтована на роботу з ієрархічно-структурованою документацією конкретного технічного об'єкту, є використання принципів В⁺-дерев.

Схема В⁺-дерева дозволяє зберігати у зовнішній пам'яті (таблицях БД) не тільки ключі, але й записи. Шлях від вершини кореневої таблиці БД (кореня В⁺-дерева) до листкової таблиці має однакову довжину, але їх структура має суттєві відмінності. Внутрішні таблиці БД зберігають тільки ключі (шлях) та посилання на дочірні таблиці. Листкова таблиця зберігає всі ключі, наявні у БД (В⁺-дереві), та всі записи (документи технічної системи).

Процес побудови структури технічної системи вимагає проведення таких підготовчих етапів:

1) визначення кількості рівнів ієрархії для оптимального подання технічної системи (для біологічних і великих технічних об'єктів, наприклад, електростанції) ;

2) здійснення декомпозиції технічної системи з урахуванням попередньо визначеної кількості рівнів ієрархії.

Практична реалізація інформаційної системи з БД за принципом В⁺-дерева для 5-рівневої ієрархічної моделі передбачає розроблення реляційної БД із деревовидною ієрархічною структурою міжтабличних зв'язків.

Умовно таблиці БД можна розділити на дві категорії: таблиці, що формують деревовидну структуру (ROOT, A,B,C,D та L-таблиці) і таблиці технічної підтримки (DOCS та TECH). Структурний взаємозв'язок ієрархічної моделі системи та ROOT, A, B, C, D та L-таблиць наведено на рис. 3.

Ієрархічний ключ БД - унікальний ідентифікатор документу, який однозначно визначає належність документу до ієрархічного ланцюга «технічний об'єкт» > «технічний відділ» > «технічний аґреґат» > «технічний механізм» > «технічний вузол» та дозволяє швидко знаходити інформацію лише за одним атрибутом.

Структура ієрархічного ключа формується у процесі самоадаптації структури БД до структури технічної системи.

Рис. 3. Структурний взаємозв'язок рівнів ієрархії з ROOT, A, B, C, D та L-таблицями.

Логічна структура процесу самоадаптації системи БД до технічних умов наведена на рис. 4.

Рис. 4. Логічна схема процесу самоадаптації структури БД.

Формування ієрархічного ключа відбувається в момент додавання нових таблиць до БД та встановлення міжтабличних відношень.

Структура ієрархічного ключа має вигляд:

$A__ANB__BNC__CND__DN$,

де A__AN, B__BN, C__CN, D__DN - назви таблиць A, B, C, D рівня відповідно, символи «$» - ознака початку та завершення ієрархічного ключа.

При наявності двох (початкового та кінцевого) символів «$» ієрархічний ключ вважається повним, тоді пошук за ним виконується в режимі «=». При наявності тільки початкового символу «$» ієрархічний ключ вважається частковим, тоді пошук за ним відбувається в режимі «LIKE».

Принцип формування ієрархічного ключа безпосередньо з назв таблиць вищого рівня ієрархії характеризує всю ієрархічну належність документу, що дозволяє здійснювати пошук тільки за одним атрибутом. Такий підхід дозволяє безпомилково завершити процес пошуку інформації з мінімальним часом пошуку.

Для кількісної оцінки ефективності будь-якої системи необхідно визначити ефективність її ідеальної моделі, щоб потім використовувати величину ідеальної ефективності як міру для оцінки ефективності реальних систем такого типу. Повнота та точність видачі інформації - головні критерії, за якими проводять оцінку технічної ефективності ІПС.

Повнота видачі інформації - виражене у відсотках відношення виданих релевантних документів до числа всіх наявних документів, яку визначають як R=A/C*100%. Точність видачі інформації - процентний вміст релевантних документів у видачі, яку визначають як P=A/L*100%, де А - кількість релевантних документів, яку фактично видає ІПС у відповідь на певний інформаційний запит, С - сумарна кількість таких документів в пошуковому масиві, L - документи які видає ІПС у відповідь на інформаційний запит. В середньому коефіцієнт повноти пошуку складає 60-70%, коефіцієнт точності - 40-50% (для ідеальної ІПС ці коефіцієнти складатимуть відповідно по 100%).

Оцінка швидкості пошуку інформації за допомогою ІПС відбувається в декілька послідовних етапів. Початковою точкою відліку (t_start) у процесі пошуку інформації є момент виникнення у користувача потреби в ознайомленні з деякою інформацією (наприклад пошук необхідної технічної документації при виникненні НС на об'єкті).

Загальним часом пошуку інформації назвемо проміжок часу: t_search = t_fin - t_start , де t_fin - момент часу, в який користувач отримав інформацію, релевантну з погляду потреби користувача на момент t_start.

Часовий відтинок t_search можна умовно розділити на декілька етапів: t_z - час формування та введення користувачем пошукового запиту, t_r - час реакції системи (який складається з під'єднання, відсилання запиту на сервер БД, синтаксичний аналіз запиту, виконання команд запиту, закриття сесії), t_sp - час сприйняття та оцінення результатів пошуку інформації користувачем.

Із погляду розбиття на відрізки, загальний час пошуку інформації визначається як: t_search = t_z + t_r + t_sp. Зменшення абсолютного значення кожної зі складових (t_z , t_r , t_sp) приводить до зменшення загального часу t_search пошуку інформації. Розглянемо окремо групи факторів, що впливають на кожний з компонентів.

Визначальними факторами для часу формування і введення користувачем пошукового запиту є: індивідуальні психо-фізіологічні особливості оператора системи в процесі формування пошукових задач, швидкість уведення інформації користувачем (середня швидкість уведення текстової інформації - 150-180 символів за хвилину), ступінь володіння синтаксичними правилами побудови запитів до ІПС (за статистикою 14-15% всіх запитів містять помилки і спотворення). На час реакції системи впливають: характеристики апаратних засобів, за допомогою яких здійснюється пошук інформації (швидкодія комп'ютерів, пропускна здатність каналів зв'язку, об'єм оперативної пам'яті і т.ін.), структура БД, в якій виконується пошук інформації. На час оцінення результатів пошуку впливають: повнота і точність отриманих результатів відносно потреби користувача, інтелектуальні здібності оператора.

Експериментальні дослідження розробленої ІПС показали, що реалізація графічного інтерфейсу для динамічного конструювання інформаційних запитів у процесі роботи ІПС, використання принципу В⁺-дерева при побудові структури БД, підвищення показників повноти і точності дозволяють зменшувати загальний час пошуку інформації. Перевага використання графічного інтерфейсу для автоматизації ґенерування синтаксично коректних запитів складає 14-15%.

Показники точності пошуку інформації в ІПС з використанням В⁺-дерева дорівнюють 85-90%, повноти пошуку інформації - 85-90% .

Основні результати та висновок

В дисертації розв'язано актуальну наукову задачу розроблення інформаційної технології інтелектуальної підтримки прийняття рішень на управління ієрархічною структурою на основі використання інформаційно-пошукової системи з базою даних, побудованою за принципом В⁺-дерева. При цьому отримано такі основні результати:

1. Вперше розроблено метод формування бази даних, яка, завдяки використанню принципу В⁺-дерева, дала змогу отримати самоадаптивну структуру бази даних для подання образів динамічних ситуацій.

2. Вперше розроблено метод формування ієрархічного ключа як атрибута L-таблиць, який за рахунок самоадаптивної структури бази даних на основі принципу В⁺-дерева дав змогу забезпечити в термінальному часі швидкий однокритеріальний пошук даних як основи визначення індикаторів граничних режимів.

3. Вдосконалено інформаційно-логічну схему діалогу з використанням швидкого пошуку в базі даних з автоматичним наповненням в реальному часі, яка є основою розбиття цільового простору на класи альтернатив і виділення граничних режимів.

4. Вдосконалено технологію формування запитів до баз даних шляхом розроблення спеціалізованого графічного інтерфейсу користувача для мінімізації виникнення синтаксичних помилок в запитах до баз даних.

Використання розробленого графічного інтерфейсу для автоматизації ґенерування синтаксично коректних запитів зменшує кількість помилкових запитів, притаманних звичайному «ручному» методу набору пошукового запиту користувачем, на 14-15%.

Показник точності пошуку інформації в ІПС при використанні В⁺-дерева й ієрархічного ключа дорівнює 85-90%, показник повноти пошуку інформації складає 85-90% (при середньостатичних показниках точності пошуку інформації в 40-50%, та повноти пошуку інформації в 60-70%).

Список публікацій за темою дисертації

1. Міюшкович Ю.Г. Аналіз логічної структури N-варіантного умовного оператора при синтезі дерев прийняття рішень / Ю.Г. Міюшкович, Л.С. Сікора // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2007. - Вип. 40. - С.157-163.

2. Петріашвілі Г.Г. В-дерева при проектуванні бази даних інформаційної системи, що орієнтована на роботу з мультимедійними даними / Г.Г. Петріашвілі, Б.В. Дурняк, Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2007. - Вип. 43. - С.152-157.

3. Петріашвілі Г.Г. Модель процесу пошуку інформації в мережі Internet / Г.Г. Петріашвілі, Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2007. - Вип. 44. - С.69-73.

4. Петріашвілі Г.Г. Використання N-арних таксонометричних дерев для збереження та пошуку знань в процесі управління технічною системою / Г.Г. Петріашвілі, Б.В. Дурняк, Ю.Г. Міюшкович // Моделювання та інформаційні технології. - 2007. - Вип. 43. - С.139-142.

5. Міюшкович Ю.Г. Пошукові системи Internet / Ю.Г. Міюшкович // Моделювання та інформаційні технології. - 2008. - Вип. 46. - С.152-156

6. Міюшкович Ю.Г. Фактори, що впливають на позиціонування сайтів в провідних світових пошукових системах / Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2008. - Вип. 47. - С.81-85

7. Сікора Л. Моделі декомпозиції стратегій в плани управляючих дій в ієрархічних системах / Л. Сікора, М. Антоник, О. Медиковський, Ю. Міюшкович // Комп'ютерні технології друкарства. - 2008. - № 19. - С. 57-60.

8. Сікора Л. Інтелектуальні та психологічні характеристики особи як управлінського елементу інтеґрованих систем з ієрархічною структурою / Л. Сікора, М. Антоник, Р. Федчишин, І. Малець, Ю. Міюшкович // Комп'ютерні технології друкарства. - 2008. - № 20. - С. 34-44.

9. Сікора Л.С. Логічні і евристичні процедури в саморганізовуючих цілеорієнтованих ієрархічних системах ліквідації загроз / Л.С. Сікора, І.О. Малець, Ю.О. Борзов, Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2008. - Вип. 48. - С.177-184.

10. Сікора Л.С. Моделі цілеорієнтації та процедури логічних висновків для побудови дерев рішень і стратегій активного управління технологічними системами / Л.С. Сікора, Ю.Г. Міюшкович, Габсі Мунір, Рекік Алі // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2008. - Вип. 49. - С.128-136.

11. Сикора Л.С. Системы поддержки принятия управленческих решений в иерархических структурах / Л.С. Сикора, И.О. Малец, Ю.Г. Миюшкович, В.М. Сикора // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2008. - Вип. 49. - С.183-187.

12. Сикора Л.С. Стратеги построения процедур вывода в системах поддержки принятия управленческих решений / Л.С. Сикора, И.О. Малец, Ю.Г. Миюшкович, В.М. Сикора, В.И. Кунченко-Харченко // Моделювання та інформаційні технології. - 2008. - Вип. 48. - С.195-201.

13. Сікора Л.С. Логічні моделі при формуванні стратегій дій в активних ціле орієнтованих системах - інтелектуальних агентах / Л.С. Сікора, Ю.Г. Міюшкович, Габсі Мунір, Рекік Алі // Моделювання та інформаційні технології. - 2008. - Вип. 47. - С.151-159.

14. Сікора Л.С. Процедури побудови моделей координаційних стратегій прийняття рішень в ієрархічних техногенних системах з використанням експертних знань / Л.С. Сікора, І,О. Малець, Н.К. Лиса, Ю.Г. Міюшкович // Моделювання та інформаційні технології. - 2009. - Вип. 51. - С.178-184.

15. Омеляновський П.Й. Стратифікація і інтеграція ієрархічних систем управління / П.Й. Омеляновський, Л.С. Сікора, І.О. Малець, Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2009. - Вип. 51. - С.186-193.

16. Сікора Л.С. Синтез процедур діалогу для оперативного управління в енергетичних автоматизованих ієрархічних системах / Л.С. Сікора, Ю.Г. Міюшкович, Н.К. Лиса, І.О. Малець, Р.М. Владика // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2009. - Вип. 51. - С.194-202.

17. Сікора Л.С. Комплексування інформаційно-вимірювальних систем, СППР та моделей експертних знань для оперативної підтримки прийняття рішень в умовах надзвичайних ситуацій на потенційно - небезпечних об'єктах / Л.С. Сікора, Н.К. Лиса, Ю.Г. Міюшкович // ЗНП, Інститут проблем моделювання в енергетиці. - 2009. - Вип. 52. - С.166-175.

18. Міюшкович Ю.Г. В-дерева при проектуванні бази даних інформаційної системи підтримки прийняття рішень великого технічного об'єкта / Ю.Г. Міюшкович // Матеріали ІІ Міжнародної конференції молодих науковців «Комп'ютерні науки і інженерія (CSE-2007)», (Львів, 4-6 жовтня, 2007 р.). - Львів: Видавництво Національного університету «Львівська політехніка», 2007. - С. 53-55.

19. Сікора Л.С. Логіко-інформаційні та інтелектуальні процедури формування рішень в технічних системах / Л.С. Сікора, І.Р. Манишин, Р.А. Федчишин, Ю.Г. Міюшкович // Матеріали XV Міжнародної конференції з автоматичного управління «Автоматика-2008», (Одеса, 23-26 вересня 2008 р.). - Одеса, 2008. - Том 2. - С. 925-928.

20. Сікора Л.С. Декомпозиція проблеми інтелекту через моделі поведінки / Л.С. Сікора, Р.А. Федчишин, І.О. Малець, Ю.Г. Міюшкович // Матеріали ІІІ Міжнародного радіоелектронного форуму «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» МРФ-2008. Міжнародна конференція «Інформаційні комп'ютерні технології та системи», (Харків, 22-24 жовтня 2008 р.). - Харків: АНПРЕ, ХНУРЕ, 2008. - С. 925-927.

21. Sikora L. Using of N-ary Taxonomic Trees for Saving and Searching Knowledge in the Management Process of Technical Systems / L. Sikora, Y. Miyushkovych // Proc. of the X^th International Conferense CADSM-2009, (Lviv-Polyana, 24-28 February, 2009). - Lviv-Polyana, 2009. - P. 261-262.

22. Сікора Л.С. Інформаційні технології створення сценаріїв діалогу для інтелектуалізації управління в ієрархії АСУ-ТП / Л.С. Сікора, Ю.Г. Міюшкович, Н.К. Лиса // Матеріали 16-ї Міжнародної конференції з автоматичного управління «Автоматика-2009», (Чернівці, 22-25 вересня 2009 р.). - Чернівці, 2009. - С. 369-370.

23. Сікора Л.С. Моделі координаційних стратегій прийняття рішень в ієрархічних техногенних системах з використанням експертних знань / Л.С. Сікора, Ю.Г. Міюшкович, Н.К. Лиса, Р.А. Федчишин, М.Б. Поліщук // Матеріали 16-ї Міжнародної конференції з автоматичного управління «Автоматика-2009», (Чернівці, 22-25 вересня 2009 р.). - Чернівці, 2009. - С. 371-372.

24. Sikora Lubomyr Cognitive Intellect Psychology and Synthesis of Tests for the Selection of the Operative Personnel / Lubomyr Sikora, Natalya Lysa, Yuliya Miyushkovych, Anastasiya Kvas // Proc. of the X^th International Conferense TCSET'2010, (Slavske, 23-27 February, 2010). - Lviv, 2010. - P. 264.

25. Sikora L. B+-tree in Database Design for Decision-making Information System / L. Sikora, Y. Miyushkovych // Proc. of the VI^th International Conferense MEMSTECH 2010. (Polyana, 20-23 April 2010). - Lviv: Publishing House Vezha&Co, 2010. - P. 185-186

Анотації

Міюшкович Ю.Г. Швидкий пошук різноформатних даних в граничних режимах систем управління. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний університет «Львівська політехніка», Львів, 2010.

Дисертаційна робота присвячена розв'язанню важливої наукової задачі - розробленню інформаційної технології інтелектуальної підтримки прийняття рішень на управління ієрархічною структурою на основі використання інформаційно-пошукової системи з базою даних, побудованою за принципом В⁺-дерева.

В дисертації вперше розроблено метод формування бази даних, яка, завдяки використанню принципу В⁺-дерева, дала змогу отримати самоадаптивну структуру бази даних для подання образів динамічних ситуацій. Вперше розроблено метод формування ієрархічного ключа як атрибута L-таблиць, який за рахунок самоадаптивної структури бази даних на основі принципу В⁺-дерева дав змогу забезпечити в термінальному часі швидкий однокритеріальний пошук даних як основи визначення індикаторів граничних режимів. Вдосконалено інформаційно-логічну схему діалогу з використанням швидкого пошуку в базі даних з автоматичним наповненням в реальному часі, яка є основою розбиття цільового простору на класи альтернатив і виділення граничних режимів. Вдосконалено технологію формування запитів до баз даних шляхом розроблення спеціалізованого графічного інтерфейсу користувача для мінімізації виникнення синтаксичних помилок в запитах до баз даних.

Ключові слова: база даних, В⁺-дерево, ієрархічний ключ, оператор, когнітивні моделі.

Миюшкович Ю.Г. Быстрый поиск разноформатных данных в граничных режимах систем управления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный университет «Львовская политехника», Львов, 2010.

Диссертационная работа посвящена решению важной научной задачи - разработке информационной технологии интеллектуальной поддержки принятия решений на управление иерархической структурой на основе использования информационно-поисковой системы с базой данных, созданной по принципу В⁺-дерева.

В диссертации впервые разработан метод формирования базы данных на основе использования принципа В⁺-дерева, разработан метод формирования иерархического ключа как атрибута L-таблиц, который дал возможность обеспечить в терминальном времени быстрый однокритериальный поиск данных, как основы определения индикаторов граничных режимов. Усовершенствована технология формирования запросов к базе данных за счет разработки специализированного графического интерфейса пользователя. Усовершенствована информационно-логическая схема диалога с использованием быстрого поиска в базе данных с автоматическим наполнением в режиме реального времени.

Оптимальным подходом при проектировании БД информационной системы, которая ориентирована на работу с иерархически-структурированной информацией конкретного технического объекта (например, электростанции) является использование принципов В⁺-деревьев.

Схема В⁺-дерева позволяет хранить во внешней памяти (таблицах БД) не только ключи, но и записи. Расстояние от вершины корневой таблицы БД (корня БД) до листовой таблицы имеет одинаковую длину, но их структура имеет существенные отличия. Внутренние таблицы БД хранят только ключи (путь) и ссылки на дочерние таблицы. Листовая таблица хранит все ключи, имеющиеся в БД (В⁺-дереве), и все записи (документы технической системы).

Использование разработанного графического интерфейса для автоматизации генерирования синтаксически корректных запросов уменьшает количество ошибочных запросов на 14-15% (по сравнению с обычным "ручным" методом набора поискового запроса пользователем).

...