Побудова систем моніторингу

Перші два блоки є обов'язковими для будь-якої ЕС, тому їх можна назвати базовими. Інші блоки можуть бути й відсутніми, тоді їх функції візьмуть на себе базові блоки. Блок моніторингу використовується тільки в ЕС, яка працює в СМ. До його функцій належать:

інтерпретація даних, що надходять;

первинна обробка даних та перевірка їх;

підтримка рішень, прийнятих у СМ;

реалізація алгоритмів висновку та обробки;

реалізація алгоритмів прогнозування параметрів об'єкта моніторингу.

Описана вище робота інших блоків широко обговорюється в літературі.

На рис. 4. наведено схему інформаційної взаємодії блоків ЕС із користувачем, зовнішнім середовищем і між собою.

Рис. 4. Схема інформаційної взаємодії блоків ЕС.

Визначити універсальну блокову структуру ЕС і склад її блоків практично неможливо через неоднозначність опису різноманітних предметних областей і різноманітних функцій, покладених на конкретну ЕС. Певним чином можна спробувати вирішити це зробивши класифікацію ЕС і побудувавши структуру і склад для окремого конкретного класу. Нині у світі функціонують десятки тисяч різноманітних ЕС, відомі декілька класифікацій їх. Ми розглянемо класифікацію ЕС тільки за функціональним призначенням (рис.5).

Рис. 5. Класифікація ЕС за функціональним призначенням.

Як випливає з наведеної класифікації, системи моніторингу виділено в окремий підклас.

База знань -- основний і найскладніший блок ЕС. Створення БЗ є основною роботою з побудови ЕС. Структуру БЗ складають форми представлення знань. Вони мають досить стійкий вигляд як результат єдності експертних знань при розв'язуванні різних задач у різноманітних об'єктних областях: звичайно приймається текстова форма уявлення знань у вигляді алфавітно-цифрових текстів, але це не виключає використання різноманітних методів кодування (використання формульних записів) при формуванні фізичної БЗ.

Форми уявлення знань встановлюються шляхом вибору моделі представлення знань, серед яких найбільш поширені семантичні мережі, системи фреймів, логічні моделі знань, продукційні системи. Процедурні знання можуть бути подані не тільки відрізками алфавітно-цифрових текстів і формульних записів, але й у вигляді фрагментів машинних програм довільної довжини.

У ЕС моніторингу (ЕСМ) для представлення знань зручно використовувати фреймові структури і продукційні системи. Фреймові структури привабливі своєю прозорістю інтерпретації моделі об'єкта спостереження і зручністю опису ієрархічних структур. Верхній (або верхні) рівень ієрархічної фреймової структури звичайно виконує резидентні функції , що теж дуже зручно при описуванні моделі, особливо її логіки. При необхідності введення в описи реляційних відношень у фреймову структуру можна ввести вирішальну матрицю із записом елементів реляційних відношень по рядках і стовпчиках. Матрицею можна описувати відношення не тільки між елементами структури, але й між елементами моделі -- фреймами і слотами. В ієрархічних фреймових структурах з успіхом можна використовувати слоти типу КЕУ, що адресують посилання до фреймів нижнього рівня.

Блок логічного виводу (БЛВ) безпосередньо реалізує розв'язування задач моніторингу і підготовляє прийняття рішень за результатами моніторингу. У цьому плані найприйнятнішою є продукційна схема побудови БЛВ, що складається з трьох модулів (рис. 6).

Рис. 6. Схема зв'язку модулів БЛВ продукційного типу.

(Б-модуль -- база знань; У-модуль -- програма управління; П-модуль -- множина правил-продукцій).

Завдання на БЛВ надходять на модуль управління (У-модуль), який виконує роль монітора, реалізуючи роботу програми виводу, що включає правила продукції, розміщені в блоці Б-модуль, і аргументи предикатних формул. Комунікації У-модуль -- П-модуль -- Б-модуль працюють багаторазово, отже, програма виводу являє собою композицію правил продукцій, що утворять систему. Аргументи X правил-продукцій вибираються з Б-модуля і містять старі результати виконання правил-продукцій. Наведена на рис. 5 схема зв'язку має чисто функціональний характер і не відображає конструктивний (фізичний) розподіл. Наприклад, і У-модуль, і П-модуль конструктивно розміщуються в БЗ і входять до її конструкції.

Нехай U -- множина правил продукцій в П-модулі, тоді конкретне правило-продукція ui U буде подано у вигляді:

x(t + T) = f(x (t), ui(x)),

де: Т -- час роботи правила на часовій осі; х(t) -- вхідне слово, сприймане правилом-продукцією; x(t + T) -- результат роботи правила.

У загальному випадку, якщо a(t) -- слово-завдання, що надходить на модуль управління в момент t, то результатом виведення буде слово а(t + ф), отримане за правилом виводу Р:

а (t + ф) = P{a(t), F(ф)},

де: ф -- число циклів роботи БЛВ при реалізації логічного виводу; F -- ланцюжок-послідовність (композиція) застосувань правил-продукцій при надходженні вхідного слова-завдання а(t). Інакше кажучи, F -- правило виводу, що формується блоком управління за завданням а(t).

При побудові правил-продукцій і предикатів використовується низка логічних операцій виду: кон'юнкція ("І") -- ; диз'юнкція ("АБО") -- V; імплікація ("ЯКЩО-ТО") -- ; заперечення ("НЕ") -- ~ .

Крім перелічених низок використовуються також квантори спільності () та існування ().

Система продукції -- це система організації процесу розв'язування логічних задач, у якої вихідною інформацією є не тільки вихідні дані, а й правила одержання цих даних, подані у формі продукцій, сукупності умов застосування правила і дії відповідно до цього правилу. Продукція -- це пари трьох можливих типів: ситуація--дія, посилка--вивід, причина--слідство.

Сукупність продукцій може нарощуватися, представляючи тим самим накопичення знань експертів у процесі навчання. При цьому правила вибору нових продукцій для застосування можуть задаватися також у вигляді продукцій, що входять до складу БЗ.

У процесі програмування продукції подаються у вигляді трійки: ім'я продукції; умови застосування; оператор. У цьому сенсі продукція є узагальненням операції імплікації у термінах математичної логіки булевих змінних і теорії предикатів, що використовує всі можливості мов програмування. При цьому можлива формула:

P1 (x1) P1 (x2) P3 (x3) B(у),

де: Рi (xi) -- предикати змінних xi;

Вy -- операція присвоювання або передача управління (GOTO).

Наприклад, для ЕС може мати місце така продукція А: якщо з n значень величин xj (j = 1, 2, … n) xi -- найбільше значення, то В(у) :

у = xi.

Для опису множини альтернатив управління в конкретній r-й ситуації з множини можливих ситуацій R (r R) можна використати продукцію.

ЯКЩО i = r, TO

B = B1VB2VB3 … VBru,



де: Bi -- альтернатива можливого управління;

ru -- загальне число альтернатив у r-й ситуації.

Для зменшення надмірності в записах продукцій у БЗ можна виділяти типи продукцій, що мають однакову конструкцію записів А і В, при цьому програми виконання однотипних продукцій будуть однаковими і відрізнятися тільки змінними в лівій (xi) і правій (yj) частинах продукції.

Нехай R -- число типів продукцій (число R у результаті навчання може нарощуватися), Q -- позначення самої продукції, l -- номер продукції, що ідентифікує значення її змінних (xi та yj).

Тоді запис продукцій матиме вигляд:

THEN .

Варто зауважити, що в цій формі запису В містить процедури, виконувані при відповідності як при посилці А = true, так і при A = false.

Програма конкретного виводу в такому позначенні запишеться у виді системи продукцій:

;

…………………………....………

.

У БЗ зберігається всього R програм виконання правил продукції. Програма роботи БВК для розв'язання конкретної задачі виводу буде задаватися кортежем пар номерів правил-продукцій {r, l}: r1l1, r2l2, … rklk.

У будь-якій ЕС можуть використовуватися такі часто вживані типи продукцій:

1. Вибір максимального значення в послідовності: x1, x2, …, xn.

A IF max (x1, x2, ... xn) = xk; B = xkо;

2. Умовний перехід

IF p > q TO = k ELSE = n; B= GOTO l;

3. Вмикання оператора присвоювання

x : = x + Д.

При формуванні програми виводу можна орієнтуватися на застосування дедуктивного та індуктивного підходу, а також прямого й оберненого методів виводу.

Функції й алгоритми опрацювання інформації не є обов'язковою властивістю СМ. Але при побудові СМ і визначенні її місії ці задачі можуть бути покладені на СМ і стають для неї обов'язковими. У цьому випадку СМ повинні реалізувати весь заданий об'єм по опрацюванню інформації і ця обставина важлива характеристика СМ.



Лекція 7. Організація та побудова розподілених систем моніторингу

7.1 Загальна характеристика розподілених динамічних систем

Розподілені СМ (РСМ) забезпечують роботу масштабних розподілених економічних об'єктів. До них можна віднести економіку країни і галузей, СМ надвеликих об'єктів. Розподілені СМ мають всі атрибути СМ, але в силу своєї масштабності при їх дослідженні необхідно враховувати і ряд особливостей:

розподілені СМ обслуговують велику територію, мають розвинуту комунікаційну мережу, що повинна забезпечити не тільки збір, збереження і передачу моніторингової інформації, але і її розподілене опрацювання;

при дослідженні розподіленої СМ необхідно враховувати високу потужність інформаційних потоків, що циркулюють в інформаційній мережі РСМ, тому високу актуальність набувають питання ущільнення записів інформації, що істотно як при передачі, так і збереженні і обробці інформації;

об'єкти спостереження РСМ звичайно мають високу динамічність, змінювані координат, що необхідно враховувати при розрахунку характеристик СМ;

масштабність РСМ пред'являє особливі вимоги до її структури, що будується за ієрархічним принципом і має розподіл усіх своїх функцій по рівнях і горизонталі.

Розглянемо організацію і побудову динамічної РСМ на прикладі транспортної системи країни, як найбільш репрезентативної.

Роль транспорту в народному господарстві переоцінити важко. Так, у 1990 р. в Україні був надзвичайний врожай, але через погану організацію збирання і вивезення з полів у місця збереження значну частину його було втрачено.

Продукцією транспорту є перевезення вантажів і пасажирів. Важливою особливістю транспортного процесу є ефект подолання простору і часу. Простір скоротити неможливо, а час транспортування, збільшивши швидкість, можна, але це робить транспортний процес небезпечним. Перевезення повинні забезпечити цілість людей і вантажів, для деяких вантажів умови цілості бувають дуже суворими. Потреби в транспорті динамічні і підпорядковуються добовому, тижневому і, особливо, сезонному циклу, тому продуктивність транспорту визначається, виходячи з пікових навантажень, а рентабельність -- середнім навантаженням.

Транспортні засоби різноманітні, і кожний вид транспорту виконує свою роль. У систему транспорту входить транспорт залізничний, морський, річковий, автомобільний, повітряний, трубопровідний, міський електротранспорт (наземний, підземний).

На транспортну систему припадає близько 20% основних виробничих фондів країни, витрачається 9% усіх капітальних вкладень, у системі транспорту працює 9% зайнятого працею населення.

Використання кожного виду транспорту специфічне, кожний вид має свої переваги і вади щодо: швидкості, вантажності, досяжності пунктів призначення і відправлення, економічної доцільності, комфортності. При створенні системи управління транспортною системою необхідно враховувати економіко-організаційні особливості кожного виду транспорту.

Транспортний процес на залізниці характеризується: регулярністю вантажних і пасажирських перевезень незалежно від кліматичних умов, часу року і доби; високою провізною спроможністю та ефективністю при перевезеннях масових вантажів на великі відстані; порівняно невеликими витратами на перевезення вантажів і пасажирів.

Удосконалювання управління залізничним транспортом має спрямовуватися на підвищення продуктивності праці і зниження собівартості перевезень за рахунок прискорення обороту вагонів, підвищення завантаженості поїздів, скорочення порожнього пробігу рухомого складу.

Основними особливостями морського транспортного процесу є: здійснення масових міжконтинентальних перевезень вантажів зовнішньоторговельного обороту, міжбасейнових і внутрішньобасейнових перевезень вантажів і пасажирів між портами нашої країни; низька капіталомісткість через використання природних морських шляхів; потреба в дорогих портових спорудах; більш низькі, порівняно з іншими видами транспорту, невисока собівартість вантажних перевезень на далекі відстані; складність подолання шляху в ряді районів океану в окремі періоди. Розвиток морського транспорту має забезпечити потреби народного господарства в зовнішньоторговельних і каботажних перевезеннях у результаті поліпшення використання наявного транспортного флоту та його поповнення високопродуктивними суховантажними, наливними і комбінованими судами.

Транспортним процесам річкового транспорту притаманні: висока провізна спроможність на глибоководних річках; порівняно невелика потреба в капіталовкладеннях і швидкість доставки вантажів; невисока собівартість перевезень масових вантажів, що не потребують термінової доставки. Подальший розвиток річкового флоту йде по шляху його поповнення великовантажними складами, буксирами-штовхачами, більш досконалими пасажирськими та іншими судами. Велика увага приділяється розвитку портового господарства.

Транспортні процеси повітряного транспорту характеризуються: великою швидкістю доставки вантажів і пасажирів; можливістю доставки пасажирів і вантажів у регіони, які не мають наземного і водного транспорту; дещо високою вартістю перевезень. Зростає роль повітряного транспорту в перевезеннях термінових і цінних вантажів, швидкопсувної продукції.

Транспортні процеси трубопровідного транспорту мають принципові відмінності від транспортних процесів інших видів транспорту. Зокрема, на цьому виді транспорту забезпечується цілість вантажу при перевезеннях у результаті майже повної герметизації перевезень. Операції наливання, перекачування і зливання автоматизовані, що позитивно позначається на собівартості вантажно-розвантажувальних робіт. Цьому виду транспорту притаманні також: регулярність перевезень; низькі капіталовкладення; ефективність за наявності потужних і стійких потоків вантажів. Напрями розвитку цього виду транспорту -- збільшення діаметра труб, створення єдиної системи газопостачання країни, впровадження технології цілодобового будівництва трубопроводів у важкодоступних районах із складними природнокліматичними умовами. Специфіка транспортних процесів трубопровідного транспорту потребує, у першу чергу, створення автоматизованих систем не організаційного управління, а управління технологічними процесами.

Дещо інші підходи до автоматизації управління автомобільним транспортом. Тут, з урахуванням специфіки цього виду транспорту, має здійснюватися автоматизація управління як транспортними підприємствами, так і процесом транспортування.

Транспортні процеси автомобільного транспорту характеризуються: значною економічністю у певних умовах -- під час перевезення вантажів на відстань до 400 км, під час перевезення цінних, термінових і швидкопсувних вантажів на великі відстані; доставкою вантажів певним одержувачам без перевантажувальних операцій; забезпеченням цілості та якості перевізного вантажу; великою мобільністю і спроможністю швидкої організації перевезень; регулярністю і досить високою надійністю; високою швидкістю доставки вантажів від складу відправника до складу одержувача, що дає змогу збільшувати оборотність обігових коштів. Ефективність транспортних процесів автомобільного транспорту залежить від низки чинників. Основним з них є відстань перевезень: у промисловості -- до 400 км під час перевезення готової продукції та 20 км -- на відкритих розробках корисних і нерудних копалень; у будівництві -- підвіз будматеріалів на відстань до 150 км; у сільському господарстві -- перевезення усіх видів сільгосппродукції на відстань до 200 км; у торгівлі -- перевезення усіх видів товарів на бази і склади, у роздрібну мережу і т. п. на відстань до 300 км.

В сфері перевезень пасажирів ефективність транспортних процесів визначається собівартістю перевезень, обсягом і регулярністю перевезень, впливом того або іншого виду транспорту на навколишнє середовище. Для досягнення належної ефективності роботи автотранспортної системи необхідно вдосконалювати координацію розвитку і взаємодії в роботі різноманітних видів автотранспорту. Вона має здійснюватися в усіх областях діяльності транспортних підприємств: технічній, технологічній, економічній, організаційній та правовій.

Вдосконалювання транспортної системи має спрямовуватися на вирішення низки економічних, соціальних, організаційних і технічних задач, а саме:

удосконалювання системи управління транспортними процесами із застосуванням сучасних економіко-математичних методів (ЕММ) та обчислювальної техніки (ОТ);

застосування економічно обґрунтованих цін, тарифів з урахуванням вимог ринкової економіки;

розвиток і вдосконалювання системи централізованих і міжміських перевезень;

створення спеціалізованих підприємств з виробництва достатньої кількості необхідних механізмів, вантажно-розвантажувальних пристроїв, що забезпечують масове впровадження контейнерного і пакетного способів транспортування вантажів;

здійснення заходів, що покращують організацію технічного обслуговування, поточного ремонту транспортних засобів, а також тих, що забезпечують безпеку руху і зменшення забруднення навколишнього середовища.

При цьому слід зазначити, що транспорт у цілому поки ще не задовольняє всім тим вимогам, які б повною мірою сприяли ефективності суспільного виробництва. Тому є об'єктивна необхідність вишукувати шляхи поліпшення роботи транспортної системи. Це дуже важлива народногосподарська проблема.

Особливостями системи транспорту (СТ) країни є:

високий ступінь територіальної розподіленості як об'єкта управління, так і системи управління;

наявність швидкопсувних і небезпечних вантажів, що спричинює додаткові вимоги до динаміки транспортного процесу;

конфліктність між показниками: час перевезення -- безпека;

конкуренція між окремими видами транспортних засобів;

висока вартість забезпечення транспортних перевезень.

Отже, транспортна система країни розподілена, складна за складом і функціями, її функціонування потребує значних витрат. Вона повинна забезпечити:

доставку вантажів і пасажирів із пунктів відправлення до пунктів призначення, що разом із з'єднувальними комунікаціями утворюють транспортну мережу країни (ТМК);

забезпечити цілість вантажів і безпеку перевізного процесу як для обслуговуючого персоналу ТМК, так і для населення;

мінімізацію нераціональних перевезень (порожній пробіг, простій транспортних засобів);

оптимальний розподіл вантажів і пасажирів між видами транспорту;

оптимізацію транспортних маршрутів.

Об'єктом управління ТМК є перевізний процес на усіх видах транспорту, що включає рухливі транспортні засоби (ТЗ) і численні однорідні об'єкти управління: автопарки (вантажні, автобусні, таксомоторні), автовокзали, станції технічного обслуговування автомобілів і т. п.

Система управління ТЗ складається з двох частин, різноманітних за динамічними характеристиками. Перша частина вирішує проблеми формування і розвитку ТМК, розробки оперативного плану руху транспортних засобів по маршрутах. Друга частина виконує функції оперативного управління, реалізуючи диспетчерське управління процесами перевезень. Основна і визначальна роль диспетчерського управління транспортним процесом -- регулювання, тобто реалізація комплексу оргтехзаходів щодо усунення наявних відхилень від передбаченого розкладу, а в необхідних випадках, щодо корінної зміни процесу перевезень по тих або інших маршрутах.

Найважливішою функцією диспетчерського управління є система моніторингу за транспортним процесом, під яким розуміється відображення динамічної інформації про ТЗ за допомогою динамічної моделі ТМК, що забезпечує одержання інформації про транспортний процес. Система моніторингу може бути перепроектована методами реінжиніринга бізнесів-процесів (РБП). Сучасна технологія автоматичного виявлення в сполученні з безпроводніми засобами передачі даних дозволяє ТЗ постійно повідомляти про своє місце розташування. Переорієнтування ТЗ і зміна їм завдання або маршруту руху може бути передане негайно за допомогою супутникової системи зв'язку. Система диспетчерського управління, що завжди точно знає їхнє розташування, може скоротити їхню чисельність, підвищити ефективність використання, скоротити надлишковий персонал і устаткування ремонтників, вантажно-розвантажувальне устаткування, а також швидко змінити плани перевезень. Якщо в колишній системі плани перевезень могли переглядатися періодично, то після реінжиніринга за рахунок використання високопродуктивних комп'ютерних технологій, плани можуть бути переглянуті негайно і в міру необхідності.

У реальної СМ немає можливості безпосередньо спостерігати всі ТЗ, диспетчер взаємодіє з інформаційною моделлю ТМК.

7.2 Моделювання процесів у розподілених динамічних системах

Теоретико-інформаційна модель повинна адекватно описувати функціонування як об'єкта управління -- ТЗ і об'єктів транспортної мережі (ТМК), так і систему управління, що реалізує алгоритми управління. Це перша вимога до моделі. Модель повинна відображати не тільки процес супроводу рухомих об'єктів, але й давати гарантії якісних характеристик роботи, для чого необхідно для кожного об'єкта визначати параметри точності, надійності та запізнювання інформації. У цьому полягає друга вимога. У сукупності перша і друга вимоги можуть бути задоволеними на складній інформаційній модельній системі (або системі моделей).

Розглянемо можливі варіанти реалізації такої модельної системи, для чого зробимо її формальний опис. Нехай систему утворює сукупність таких елементів: простір S елементів ТМК, у якому локалізована система, множина транспортних засобів М, підпростір особливих точок L S.

Простір S, загалом кажучи, може бути багатовимірним, але ми обмежимося завданням його на площині. Конфігурація S може бути довільною. Множина М складається з підмножин Мі, які не перетинаються, , де індекc i визначає тип транспортних засобів, що входять у М, число типів дорівнює N. Кожний елемент із Мі являє собою перелік однотипних наборів характеристик. Кожний набір відповідає конкретному транспортному засобу, отже, номер засобу визначає пару індексів ij. В окремому випадку i = 1, тоді номер транспортного засобу дорівнює j. Не виключене встановлення взаємно однозначної відповідності , при цьому

Підпростір L являє собою задану сукупність нерухомих точок у S. Кожна така точка є полюсом термінальної мережі, у ній встановлено термінали, через які інформація про систему надходить в термінальну мережу. Розглянемо можливі варіанти побудови структури моделі з метою вибору варіанта моделювання, що адекватно відображає роботу системи. В основі побудови структури лежить засіб встановлення інформаційних зв'язків кожного елемента Xij із M з елементами з L.

Перш за все розглянемо крайні випадки, які утворять варіанти, що забезпечують мінімальну і максимальну інформацію про маршрути транcпортних засобів. До ТЗ належать не всі засоби пересування, а тільки ті, що супроводжуються СМ. Це колони машин, маршрутні автобуси та інші засоби, зазначені в розкладах, особливо важливі, цінні і небезпечні вантажі, спеціально відзначені ТЗ.

Варіант I (мінімальний) можна вважати традиційним. Задається множина особливих (термінальних) точок. Звичайно вона включає початки маршрутів ТЗ і найбільш відвідувані точки з S, а також кінцеві точки маршрутів. У мережу передається час початку траєкторій для кожного (або групи) ТЗ, його маршрут і програма траєкторії (наприклад, середня швидкість), а також час прибуття в кінцеву точку маршруту. Інші дані про траєкторію обчислюються або прогнозуються.

Варіант ІІ (максимальний). Організується зв'язок із кожним ТЗ за допомогою радіо або оптичних каналів і з певною дискретністю опитуються датчики або організується локація ТЗ.

Варіант ІІІ (максимальний). Точки множини L рівномірно розподіляються в S з такою дискретністю, що інформація про траєкторії ТЗ дає можливість відтворювати траєкторії цілком.

Варіант ІV є проміжним між варіантом I і варіантом ІІ.

Варіант V є проміжним між варіантами I і ІІІ.

Зрозуміло, що варіанти ІV і V можуть мати досить велику кількість підваріантів.

Для розв'язання задачі вибору базового варіанта необхідно переглянути всі п'ять альтернатив, для чого зробимо їх попередній аналіз з урахуванням можливості і складності, а також очікуваних витрат при реалізації.

Варіант I найлегше реалізувати, але не він забезпечує достатньої інформативності. Не випадково він названий мінімальним, оскільки забезпечує отримання інформації тільки про початок траєкторії, іноді про її кінець -- якщо запланований маршрут для ТЗ виконаний без відхилень. Тому не варто використовувати цей варіант як базовий, проте слід враховувати його характеристики для варіантів ІV та V.

Варіант ІІ вельми складний у реалізації і потребує дуже великих витрат на організацію зв'язку з кожним ТЗ (у практичних ситуаціях варто очікувати, що множина S значно міцніша за множину L). Крім того, для кожного ТЗ за таким варіантом потрібно вирішувати навігаційну задачу прив'язки до місцевості, що складно реалізувати технічно або потребує участі водія ТЗ, що знижує достовірність одержуваної інформації.

Варіант ІІІ в якісному відношенні не поступається варіанту ІІ, але менш складно реалізований в технічному плані, оскільки точки з L жорстко прив'язані до точок із S, що не потребує вирішення навігаційних задач і дає змогу використовувати стаціонарні лінії зв'язку. Крім того, потужність L менша за потужність М, тому забезпечується можливість побудови термінальних пристроїв. Отже, якщо число точок у L забезпечується технічно, то варто прийняти цей варіант.

За тими ж ознаками, за якими порівнювалися варіанти ІІ і ІІІ, варто визнати кращим варіант V. Оскільки варіант ІІІ є окремим випадком (підваріантом) варіанта V, варто вибрати варіант V як базовий і надалі використовувати на моделі його підваріанти, зокрема визначати потужність множини L та її відображення на простір S, який для конкретних цілей варто вибрати метричним.

Після вибору базового варіанта можна конкретизувати загальну схему моделі системи моніторингу рухомими ТЗ у деякому обмеженому регіоні. Сформулюємо задачу дослідження на моделі. Задано адміністративно-територіальний район (місто, область, республіка). На території району функціонують N типів транспортних засобів. Для спостереження за ними створюється термінальна мережа, що включає обчислювальні центри, термінальні станції, сполучені магістральними і радіальними каналами передачі інформації. Задачею термінальної мережі є виконання моніторингу ТЗ для управління всіма ТЗ у районі, розташованими локально або розподіленими в районі. При такій постановці простір S може інтерпретуватися плоским графом. Ребра графа відображають транспортні комунікації. Полюси графа можуть відображати: перехрестя, початкові пункти маршрутів, кінцеві пункти маршрутів, пункти установки терміналів, пункти установки ОЦ.

Для аналізованої системи можна сформулювати множину різноманітних задач, але для цього варто визначити вихідні дані. Як такі можуть виступати різноманітні характеристики, але вихідними будуть пункти початку і закінчення маршрутів (пункти відправлення в часі необхідних і виконуваних вантажних потоків і пасажирських потоків для всіх кінцевих пунктів). Далі послідовно можуть бути сформульовані такі задачі: оптимальне прикріплення вантажоодержувачів і вантажовідправників; визначення оптимальної мережі комунікацій та їх пропускних спроможностей; визначення типів і кількості ТЗ, визначення маршрутів і графіків руху ТЗ, побудова системи моніторингу ТЗ, побудова інформаційно- обчислювальної мережі для забезпечення моніторингу. Наведена послідовність задач не збігається з послідовністю їх вирішування, багато задач можуть розв'язуватися паралельно, проте в зазначеній послідовності результати рішення i-ї задачі визначають вихідні дані для розв'язування (i + 1)-ї задачі.

Вважаємо вирішеними усі задачі наведеного переліку, крім останньої (побудова СМ), для неї визначеними варто вважати такі вихідні дані:

мережа комунікації з відомими пропускними спроможностями доріг;

початкові й кінцеві пункти маршрутів і самих маршрутів для всіх типів ТЗ;

приблизні тимчасові графіки маршрутів;

необхідна точність і дискретність інформації про координати кожного ТЗ, припустимі затримки надходження даних;

пункти видачі і форма видачі даних;

необхідні обчислювальні ресурси та їх топологія або алгоритми обробки інформації і форма видачі результатів розв'язання задач.

Визначимо тепер цілі дослідження на моделі. Насамперед від термінальної мережі варто отримати інформацію про траєкторії всіх ТЗ із заданою точністю при визначеній структурі мережі, що відповідає варіанту V. За цим варіантом до множини L включаються деякі полюси мережі графа, що представляє простір S (графа S), або формуються в S нові полюси. Множина L має бути побудована так, щоб була забезпечена задана точність визначення координат будь-якої траєкторії, у будь-який (або заданий) момент часу. Пронумеруємо всі елементи L натуральним рядом чисел і покладемо, що потужність множини L дорівнює K (k = 1, 2,…, K). Тоді, якщо деякий ТЗ останнього разу був зафіксований k-ю точкою, то не можна зазначити напрямок руху ТЗ, якщо з і-ї точки виходить декілька ребер графа S. Тому максимальне віддалення між двома терміналами, з'єднаними ребром графа, визначає точність визначення координат. Але ця відстань (S) не повинна бути дуже малою, інакше виникає надмірна надлишковість інформації і пов'язане з нею навантаження на канали передачі, збереження і перетворення інформації. Слід також зазначити, що на точність впливає час затримки інформації (з) від моменту виконання виміру до моменту надходження інформації до пункту управління. Отже, величина затримки визначається взаємним розміщенням терміналів і пунктів обробки, а також способом передачі даних. Важливе значення мають також деякі технічні характеристики: засіб індикації ТЗ, ідентифікація ТЗ, надійнісні характеристики тощо. При розрахунках варто мати на увазі, що точнісні параметри повинні бути забезпечені при мінімальній вартості системи, обумовленої числом первинних датчиків та інших технічних пристроїв, алгоритмами обробки інформації. Таким чином, критерій оцінки альтернатив термінальної системи буде багатовимірним, складові його носять інформаційний характер. Ця обставина і визначає рівень моделі, використовуваної для розрахунку інформаційно-обчислювальної мережі. Найзручніше використовувати модель теоретично-інформаційного рівня, що дає змогу описувати потоки інформації, передачу їх і збереження, точнісні характеристики і затримки. На моделях цього рівня добре досліджувати варіанти структур технічної реалізації систем управління, варіанти інформаційних структур і комунікацій, обчислювальні системи і ланки прийняття рішень, вхідними і вихідними характеристиками інформаційних систем і моделей є об'ємно-часові параметри (у нашому випадку S і з відповідних потоків інформації).

Звичайно інформаційна модель являє собою плоский граф, полюси якого відповідають інформаційним агрегатам із входами і виходами, а ребра відображають вхідні і вихідні потоки інформації, тому граф може бути напрямленим. Деякі полюси можуть бути тільки вхідними, деякі мають вихід, не замкнений на полюси графа. У такий спосіб задаються зв'язки між інформаційно-обчислювальною мережею і зовнішнім середовищем. Між парою конкретних полюсів може бути укладена множина ребер, що відображають як потоки інформації, так і інформаційні комунікації. Інформаційні моделі добре описують інтерфейси і функціонування людини-оператора в системі. В інформаційних моделях звичайно описуються агрегати таких типів: джерела інформації, перетворювачі (переробники) інформації, кодувальні пристрої (інтерфейси), виконавчі механізми. Ребра між цими агрегатами описують потоки інформації і комунікації. Модель теоретико-інформаційного рівня являє собою мережу і на ній зручно досліджувати інформаційно-обчислювальні мережі і процеси в них. Тому як модель для дослідження і розрахунку термінальної інформаційної мережі виберемо плоский багатозв'язний напрямлений граф, полюси якого підрозділяються на два типи: полюси транспортної системи (із множини S) і полюси інформаційної мережі (із множини L). Ребра графа також належать до двох типів: транспортної мережі -- відповідні до транспортних комунікацій та інформаційної мережі -- відповідні до каналів зв'язку. У різноманітних застосуваннях транспортна та інформаційна мережі можуть розглядатися роздільно або як суперпозиція обох мереж, в обох випадках припускається роздільний опис мереж.

Розглянемо докладніше опис полюса графа транспортної мережі. З цього погляду важливо відзначити вузли початку і кінця маршрутів, кожний маршрут відображається ознакою "початок-кінець" і яким-небудь ідентифікатором. Кожний полюс транспортного графа Gт відзначається набором тріад, число яких дорівнює числу маршрутів. Кожна тріада містить ідентифікатори A, I, J , де A -- ознака, що приймає два значення: початок і кінець маршруту, I -- тип ТЗ, J -- номер ТЗ даного типу (або номер маршруту ТЗ і-го типу). Полюси транcпортної мережі, що не є кінцем або початком маршруту, не містять жодної тріади у своєму описі. Полюси інформаційної мережі G1 опиcуються одним або двома ідентифікаторами R, P . Перший характеризує тип джерела інформації, другий -- тип і характеристику пристрою обробки інформації. На рис. 1 наведено структуру інформаційної моделі транспортної мережі.

Рис. 1. Структура інформаційної моделі.

Однією суцільною лінією обведено полюcи транспортної мережі, двома -- полюcи cуміщеної транспортної та інформаційної мережі. Полюси інформаційної мережі автономно не розміщуються. Суцільними лініями показано транспортні комунікації, пунктиром -- інформаційні. Полюс, що не має записів, відповідає транзитному транспортному вузлу. Один із вузлів інформаційної мережі (у центрі другий зверху), пов'язаний з усіма іншими полюсами GI -- очевидно, пункт обробки інформації і, можливо, центр управління ТЗ. Про це повинно вказувати значення ідентифікатора Р.

Нашою основною задачею розрахунок графа GI інформаційної мережі. При цьому виникають три окремі задачі: розрахунок і визначення топології графа GI; розробка інформаційного і програмного забезпечення роботи інформаційної мережі та задача ефективного збереження і передачі інформації в мережі. Остання задача викликана тим, що умови забезпечення супроводу ТЗ потребують запам'ятання траєкторій ТЗ, а це зумовлює необхідність використання запам'ятовуючих пристроїв великого обсягу, оскільки при напружених потоках ТЗ потрібно буде зберігати про них досить великий обсяг інформації. Розв'язання трьох перелічених задач забезпечить роботу транспортної мережі.

7.3 Моделювання розподіленої системи моніторингу

Інформаційна мережа повинна забезпечити одержування інформації про кожний ТЗ з деякою точністю і припустимим запізнюванням. Можна задати точність визначення координат траєкторії ТЗ різними способами: максимально-припустимою або середньоквадратичною помилкою визначення координат, розподілом імовірностей помилки визначення координат.

За будь-якого способу завдання точності визначення координат ця точність визначається: характеристиками первинного виявлення, величиною затримки від моменту визначення координат до моменту видачі їх, точністю представлення даних, характеристиками надійності роботи інформаційної мережі. При цьому важлива вартість наданих даних. Розглянемо можливі способи первинного виявлення. Найлегше реалізується варіант виявлення ТЗ у полюсах інформаційної мережі людиною-оператором. При цьому точність супроводу траєкторії ТЗ визначається топологією полюсів інформаційної мережі і величиною затримки . Людина-оператор визначає ТЗ, ідентифікує його і вводить в мережу час проходження контрольної точки, інші розрахунки проводяться автоматично. Можна здійснювати й автоматичну індикацію, для цього на кожному ТЗ має бути встановлений мікроелектронний відповідач, що передає сигнал на запит в обмеженому радіусі (десятки метрів) на УКВ діапазоні. У відповідь на запит передається цифровий код номера ТЗ. Запитальні імпульси з певною періодичністю випромінюються в цьому ж діапазоні апаратурою зв'язку, встановленою на полюсі інформаційної мережі. Принципово алгоритм обробки інформації залишається точно таким, як і при роботі людини-оператора (час у систему вводиться таймером) у даному випадку. Вартість інформаційної мережі визначається кількістю полюсів інформаційної мережі, вартістю апаратури первинного вводу, передачі й обробки даних. При цьому варто враховувати перетворювачі інформації та накопичувачі її перед сеансами зв'язку. Точність визначення координат і величина затримки можуть бути обчислені за ІМ для реальних систем. Крім того, там відзначено близьку збіжність інформаційного критерію ІМ і критерію роботи виконавчої системи, для якої виробляється інформація, тому будемо використовувати цей критерій для досліджень на інформаційній моделі.

У період бурхливого розвитку інформаційних комп'ютерних технологій, підвищення їх якісних показників, здешевлення і мікромініатюризації обчислювальної техніки стало можливим підвищити вимоги до утворюваних обчислювальних систем і зняти низку традиційних обмежень щодо кількості розв'язуваних задач, обсягу початкових даних, ємності накопичувачів, топології розподілу засобів обчислювальної техніки.

За таких умов можна значно послабити обмеження на опис як моделі, так і самої модельованої системи. Для цього зручно розглядати ієрархію систем: система управління об'єктом спостереження -- об'єкт моніторингу -- система моніторингу.

Початковою є система ТМК. Відносно ТМК її модель являє собою підпорядковану систему. Отже ієрархічний ланцюжок складає нерозгалужене дерево систем, кореневою вершиною якого є система управління ТМК, наступною - інформаційна мережа ТМК і потім система моніторингу. Рамки опису моделі зазначені в п. 6.2. Розглянемо спочатку опис взаємозв'язків перелічених трьох систем. Насамперед потрібно знати загальний критерій ефективності системи, задля якої будується досліджувана інформаційна термінальна мережа, і висувати вимоги системи з позиції забезпечення заданої області значень цього критерію. Такою системою є система управління ТЗ у регіоні. Дослідження і докладний опис такої системи управління виходить за рамки цієї роботи, тому обмежимося найзагальнішими положеннями.

Загальний опис функціонування системи управління має вигляд:

U(t)=U(X, Y, Z, W, t), (1 )

де U(t) - вектор керуючих впливів;

U - оператор, що виробляє керуючі впливи;

Х - вектор, що описує траєкторію об'єкта управління у фазовому просторі;

У - вектор мета управління (управління з боку системи вищого рівня);

Z - вектор зовнішніх збурень;

W - вектор, що описує стан ресурсів системи управління;

t - час.

Вектор U(t) , обумовлений виразом (1), описує закон зміни управління впливів системи і функціонування системи управління. Оператор U може бути реалізований управлінням ЕОМ або мережею ЕОМ, але він працює на основі одержуваної інформації про характер зміни у часі векторів X, Y, Z, W. Вектор Y описує команди зверхньої системи: зміну вантажопотоків і маршрутів, нові постачання, нові технології роботи ТЗ і т.п. Інформація про значення Y у часі надходить до системи управління у вигляді потоку команд зверхньої організації.

Вектор Z описує зовнішні, переважно несприятливі і важко прогнозовані впливи: аварії ТЗ, ремонти комунікацій, вихід із ладу різноманітних технічних засобів, перебої у подачі палива і т.п. Ці впливи вводяться в систему управління у вигляді потоку інформації.

Значення вектора W визначає трудові, матеріальні, фінансові, інформаційні ресурси, що знаходяться в розпорядженні системи управління, характер витрати їх і поповнення. Значення цього вектора супроводжуються, поновлюються та актуалізуються в інформаційній базі системи управління. Якщо інформація про характер прямування векторів Y, Z, W надходить ззовні або формується в системі управління, то значення вектора Х повинні визначатися спеціальною системою, за яку і пропонується використовувати СМ.

Таким чином, задачею СМ, призначеною для забезпечення ефективного функціонування системи управління при будь-якому критерії оцінки її роботи, є забезпечення оператора U інформацією, передусім про координати ТЗ, що представляють в основному об'єкт управління. Для системи потрібна інформація про індивідуальний ТЗ та інтегральні дані про систему ТЗ. Деякі дані про об'єкт управління (маршрути, вантажопотоки і т. п.) формуються всередині самої системи управління, але є дані, які не можуть бути отримані повністю всередині системи управління. Такими даними є значення координат ТЗ і характеристики інформаційних потоків про всі ТЗ системи.

Оцінками визначення координат об'єкта є: динамічна точність визначення координат ТЗ, під яким будемо визначати функцію щільності або функцію розподілу значень координат ТЗ. Припускаємо, що всі ТЗ регіону рухаються по транспортних комунікаціях, поперечні розміри яких (одиниці метрів) істотно не впливають на точність визначення координат, отже, ця точність визначається величиною розподілу вздовж курсу руху ТЗ, тому можна використовувати одномірні розподіли для оцінки точності визначення координат ТЗ. Позначимо їх fi(x, t), де: i -- номер ТЗ; х -- значення координати ТЗ (відхилення від дійсного значення); t -- час, від якого fi(x, t) залежить параметрично. Отже, значення fi визначаються для фіксованих часових перетинів і функція є одномірною. У момент проходження ТЗ полюса інформаційної мережі або в момент фіксації координат fi(x, t) вироджується в -функцію, при цьому t = 0. Таким чином, значення t є індивідуальним для кожного i, інтегрувати по t можна кожну функцію f тільки окремо. При збільшенні t функція f(x, t) деформується, "розпливається" у боки аж до такого моменту фіксації, коли вона знову вироджується в -функцію. Нехай період часу між фіксаціями позначено через . Значення індивідуальне не тільки для конкретного індексу i, але й залежить від попереднього полюса інформаційної мережі, оскільки відстані між полюсами не постійні, а швидкість ТЗ змінюється в часі, отже, можна говорити про значення i(k), де i -- номер ТЗ, k -- номер полюса інформаційної мережі, до якого наближається ТЗ. Представлення функції f(x, t) змінюється в точках переходу чергового полюсу. У моменти переходу

t=i(k)

можливо покласти t = 0, при цьому f(x, t) обертається на (t) функцію, причому

.

Отже можна говорити про середнє значення розподілу fi(x, t) або середні значення моментів цього розподілу. Вигляд функції f визначається величиною швидкості під час руху V(t) при t i(k), станом комунікацій (поворот, підйом), часом доби і року, метеоумовами, транспортною обстановкою тощо. Така множина випадкових чинників обумовлює вибір граничного нормального розподілу. Середнє значення точності обчислення координат визначається інтегралом імовірності і потім інтегрується по t для визначення середнього значення:

. (2)

Аналогічно визначається дисперсія і середньоквадратична помилка:

, (3)

. (4)

Знайдемо конструктивний спосіб визначення щільності розподілу fi(x, t), яка є фундаментальною і початковою характеристикою точності. Введений до розгляду час t можна трактувати як затримку надходження інформації. Дійсно, в момент t = 0 відбувається вимірювання координат, а при t > 0 -- їх використання, максимальна ж помилка має місце в момент

t = i(k).

Для цього випадку виведено формулу для розрахунку функції розподілу

,

яка має вигляд:

, (5.)

де:

;



-- початковий розподіл F(0, t);

PB -- імовірність P[X > x] за умови, що в момент

t x - x = V(t)t X x;

V(t) -- значення швидкості ТЗ у момент часу t.

Для отримання виразу F(x, t), а отже, і щільності розподілу f(x, t), необхідно задати початкову функцію розподілу і знайти значення ймовірності PB, визначеної видом і гіпотезою руху ТЗ. Для вихідного нормального розподілу вираз F(x, t) у радикалах не розв'язується рішення і потрібно шукати чисельними наближеними методами.

Урахування надійності інформаційних характеристик на інформаційній моделі зручніше за все робити шляхом використання хибних тривог. Дійсно, маршрути ТЗ можуть бути неоднозначними; розгалуження транспортної мережі дають змогу обирати різноманітні шляхи. За цих умов варто встановити спроби супроводу на всіх можливих шляхах. Крім того, можливі збої і помилки в роботі технічних засобів і операторів, у каналах зв'язку і первинних вимірювачах.

Джерелом ще однієї групи помилок можуть бути самі ТЗ.

Можливі зупинки в дорозі (поломки, інші суб'єктивні причини) ведуть до появи розривів у траєкторіях і зав'язування помилкових траєкторій. Ті ж наслідки виникають через відхилення від регламентованої транспортної мережі і вихід за її межі, при цьому порушуються контакти з інформаційною мережею, оскільки її полюси не можуть перебувати за межами транспортної мережі.

Наявність хибних тривог замість двох подій у СМ (виявлення ТЗ та його невиявлення) веде до появи чотирьох можливих виходів.

1. У зоні дії системи виявлення в полюсах ТМК знаходиться ТЗ і виявляється з імовірністю Р1:

,

де: Робн -- можливість спрацювання первинного вимірювача і видача координат ТЗ при його проходженні зони виявлення (видимості для людини-оператора);

Рлт -- можливість хибної тривоги;

Рвх -- можливість входу ТЗ до зони виявлення.

2. У зоні дії проходить ТЗ і не виявляється з імовірністю Р2:

.

3. У зоні дії ТЗ не з'являється і не виявляється з імовірністю Р3:

.

4. У зоні дії ТЗ не з'являється, не видається сигнал виявлення з імовірністю Р4:

.

Оскільки наведені чотири події складають повну групу, то, з одного боку,

,

з іншого боку, на групі подій можна обчислити ІМ. Запропонована модель дає змогу оцінити кількісно вплив на величину ІМ значень імовірностей Рвк і Рлт і порівняти їх значимість із точністю виявлення координат і величиною запізнювання (або дискретності вимірів координат). Проте ця модель являє собою найпростіший випадок. Дійсно, можна використовувати теоретико-інформаційну модель складної системи, де зазначені чотири події складають перший поверх графа розрахунку ІМ. Другий поверх може бути складений з типів ТЗ, на третьому поверсі можуть бути деталізовані конкретні полюси ІМ і, нарешті, на четвертому поверсі -- конкретні номери ТЗ (можна продовжити граф, розглядаючи різноманітні типи вимірювачів тощо). Модель складної системи приведе до значного кількісного збільшення ІМ і дасть об'єктивніше її значення, що наближається до оцінки цінності інформації, проте не можна не враховувати різке збільшення складності моделювання і розрахунків. Тому для одержання якісних висновків доцільно обмежитися максимально простими моделями, якщо вони достатні для цього.

Для наведеної повної групи подій за наявності хибних тривог у результаті виявлення ТЗ утворюється середня кількість інформації (ІМ), що дорівнює:

(6)

Для якісного аналізу впливу хибних тривог на значення ІМ на рис. 2 наведено графіки залежності

I = (Робн)

при Рвк = 0,01 та різноманітних Рлт.

Рис. 2. Графік залежності I = (Pобн).

Значення I обчислені у відносних одиницях за формулою (6). Аналіз графіків показує дуже сильний негативний вплив на значення ІМ імовірності хибної тривоги. Так, при Рлт = 0,05 вона знижується більш як удвічі, а при Рлт = 0,2 -- у 4--5 разів. Це еквівалентно збільшенню середньоквадратичної помилки (тобто зниженню точності) більш як у 10 разів, оскільки ентропія при визначенні координат для нормального закону:

, (7)

де: k -- константа;

н -- середньоквадратична похибка вимірювання координат;

Hн -- ентропія після вимірювання координат при нормально розподіленій помилці з параметром н.

Можна аналогічно дослідити наслідки помилкової індикації ТЗ -- неправильне визначення типу або номера ТЗ. Як і у випадку хибної тривоги, тут ми маємо справу з дезінформацією (одержання неправильної або помилкової інформації), яка знищує корисну інформацію і значно несприятливіше впливає на показники СМ, ніж недотримання або неповне отримання інформації. Звідси випливає висновок про необхідність при побудові СМ насамперед захистити її від хибних тривог і помилок при одержанні первинних даних.

Ми розглянули способи описування за допомогою ІМ різноманітних варіантів визначення координати ТЗ із різноманітною точністю, котра залежить від ступеня віддаленості полюсів ІМ, яка визначає час запізнювання t, що входить до алгоритму визначення ІМ. Крім того, отримано залежність ІМ від величини хибної тривоги. Тепер потрібно дати загальне визначення ІМ з урахуванням усіх характеристик, для чого звернемося до моделі складної системи й представленню ІМ у вигляді дерева. При цьому його кількісне значення визначається рекурсивним застосуванням формули (3.3). Адитивність інформаційної міри дає змогу спрощувати розрахункові алгоритми для складних систем, зводячи розрахунок складності до операцій алгебраїчного додавання. У якості ІМ при розрахунках на моделі використовується середня кількість інформації, яка залежить від точності, затримки і надійності визначення координат, одержується СМ про ТЗ і видається системі управління. Класичним способом визначення середньої кількості інформації є обчислення різниці між апріорною (Н1) і апостеріорною (Н2) ентропією. Саме такий спосіб розрахунку і передбачається використовувати при визначенні ІМ. Крім того, для спрощення розрахунків будемо використовувати і метод інформаційної подібності.

...