Современные проблемы развития распределенных информационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Современные проблемы развития распределенных информационных систем

Еременко В. Т.

Главными проблемами современной теории распределенных информационных систем (РИС) и их приложений являются сложность и возможность несанкционированного воздействия на них. Постоянное желание строить и управлять все более сложными и большими системами привело к тому, что ортодоксальная концепция высокопроизводительной системы, управляемой центральным компьютером, устарела. Наполнились новым содержанием понятия: подсистемы, взаимосвязи, распределенные вычисления, нейронные сети, параллельная обработка и т.д. Это существенно повышает риск и последствия несанкционированного воздействия, требует хорошей синхронизации процессов, особенно с учетом тенденции развития в направлении «хорошо организованной сложности».

РИС представляется совокупностью совместно и целенаправленно функционирующих пространственно и функционально распределённых динамических объектов (подсистем) Si и классифицируется современной теорией систем, как сложная динамическая система.

.

В функциональном отношении РИС включает в себя управляющую подсистему, реализуемую, как правило, в виде двухуровневой системы принятия решений, на нижнем уровне которой реализуются классические алгоритмы управления, а на верхнем - логико-лингвистические алгоритмы анализа ситуации и планирования поведения системы, и управляемую подсистему (процесс), совместное функционирование которых приводит к достижению цели управления.

Типовые примеры управляющих подсистем:

системы управления промышленными производствами и корпорациями;

автоматизированные системы управления сложными техническими и технологическими установками и агрегатами, летательными аппаратами, химическими и металлургическими комплексами и т.д.;

системы управления гибкими автоматизированными производствами.

Управляющая подсистема технически выполняется в виде многомашинного отказоустойчивого вычислительного комплекса сетевой структуры с распределённой обработкой данных в реальном масштабе времени и реконфигурацией алгоритмических, программных и аппаратных средств. Масштаб реального времени понимается в данном случае, как гарантированное время, возможно прерываемое, активизации и решения функциональных задач управления.

РИС является, как правило, развивающейся сложной гетерогенной иерархической интегрированной эргатической распределенной непрерывно - дискретной динамической системой с переменной структурой, нестационарными параметрами и нелинейными зависимостями характеристик от параметров и воздействий.

Сложность как фундаментальное свойство системы управления имеет множество интерпретаций и оттенков [1]. В данном случае, сложная система определяется как целостная система, как система, которая не может быть осознана и изучена исследователем в целом.

Целостность является фундаментальным свойством сложной системы, которое проявляется в единстве цели функционирования системы и принципиальной несводимости свойств системы к сумме свойств образующих её элементов. Целостность системы, её общесистемные свойства и целенаправленное поведение обеспечиваются специфической организацией, под которой понимается согласование общесистемных функциональных, логических и конструктивных характеристик системы с физическими процессами, протекающими в ней, и эксплуатационно-организационными мероприятиями.

Интеграция понимается как объединение множества гетерогенных асинхронно взаимодействующих подсистем, каждая из которых выполняет вполне определённые, присущие только этой подсистеме функции в соответствии с собственной (локальной) целью функционирования, подчинённой общей (глобальной) цели функционирования системы.

Проектирование РИС допускает развитие и модернизацию как проблему устранения противоречий при согласовании физических процессов, протекающих в системе, системных характеристик (целостность системы, устойчивость, инвариантность, самообучение и т. д.), а также информационно-алгоритмических, программных и технических средств системы.

Решение проблемы совместимости позволяет (на стадии эксплуатации системы) осуществлять прогноз поведения отдельных подсистем и системы в целом, идентифицировать отказы оборудования и выполнять реконфигурацию алгоритмических, программных и аппаратных средств системы управления, оценивать возможность и выполнять переключение системы с одного режима функционирования на другой, обеспечивать согласование возможностей человека и искусственного интеллекта при реализации различных видов поведения системы (программного, адаптивного, импровизационного) в условиях динамически изменяющейся ситуации.

Интеграция предполагает наряду с согласованностью целей функционирования доступность необходимой и достаточной предварительно подготовленной информации о состоянии системы и отдельных её элементов для каждого потребителя информации, а также возможность организации в рамках системы коалиций подсистем с наделением их управленческими полномочиями и ответственностью за поведение отдельных подсистем и системы в целом. Это достигается специально организованной иерархической распределённой структурой системы управления.

Иерархия, как свойство системы, приводит, по крайней мере, к следующим принципиальным особенностям. Во-первых, система представляется в виде совокупности соподчинённых подсистем различных уровней иерархии. Во-вторых, подсистемы более высокого уровня иерархии используют при принятии решений агрегированные (обобщённые) координаты, являющиеся функциями выходных координат подсистем более низкого уровня иерархии и формируют директивные управления для этих подсистем. Недоступность полного вектора состояния подсистем нижнего уровня иерархии для подсистемы верхнего уровня является принципиальной особенностью иерархической системы управления. Важным здесь является то, что верхний уровень иерархии формулирует в терминах агрегированных координат для нижнего уровня цель управления и выбирает агрегированное управление способствующее достижению цели. Решение задачи на верхнем уровне не полностью определяет состояние системы, т.к. оно сформулировано в терминах агрегированных координат. Чтобы определить вектор состояния исходной системы полностью, используется нижний уровень управления. Цель управления на нижнем уровне формулируется в терминах исходных переменных, но управление остается прежним, тем, которое определено на верхнем уровне в терминах обобщённых координат. Такое положение становится возможным, потому что агрегированная модель является следствием исходной. Последнее означает, что решения подсистемы верхнего уровня обязательны для исполнения на нижнем уровне иерархии. Следствие этого - иерархическая структура системы управления всегда сужает класс допустимых управлений как за счёт работы с агрегированными координатами, так и за счёт структурных ограничений.

Исключение части допустимых управлений, возможно наилучших, является принципиальной особенностью иерархической организации системы управления. Иерархическая организация сложной системы управления определяет необходимость ее структурирования с целью получения ограниченного конструктивного множества возможных решений, из которых и выбирается лучшее. Именно это решение затем реализуется в системе в виде децентрализованных и согласованных управлений различного уровня ответственности.

Необходимо отметить, что представление исходной сложной системы управления в виде иерархической системы выполняется, как правило, с использованием эвристических процедур на основе функциональной декомпозиции системы. Возможные формальные математически строгие методы решения этой задачи основываются на использовании теории групп, в частности, непрерывных групп Ли и групповой теории дифференциальных уравнений.

Распределённость как свойство системы обеспечивает наилучшее согласование топологии РИС с принципами организационно-технологического управления территориально и функционально распределённым объектом управления и исключает в системе циркуляцию избыточной информации при её параллельной и асинхронной обработке в реальном масштабе времени. При этом наиболее рационально обеспечивается доступность для каждого потребителя предварительно подготовленной и отформатированной информации. Распределённость, кроме того, позволяет наиболее конструктивно осуществить в системе различные формы избыточности с целью обеспечения необходимого уровня надёжности.

Структурная организация системы управления характеризуется широким использованием обратных связей и компенсирующих цепей, позволяющих проектировать развивающиеся системы, удовлетворяющие требованиям устойчивости, управляемости (наблюдаемости), инвариантности, самоорганизации и т. д. Именно механизм обратных связей и компенсирующих цепей, позволяющий использовать текущую информацию о внешней среде, параметрах и выходных координатах системы, даёт возможность оптимизировать управление и снижает чувствительность системы к неконтролируемым внешним воздействиям и изменениям параметров системы.

Распределенные информационные системы являются, как правило, эргатическими системами, процесс управления в которых осуществляется совместно человеком-оператором (управленческим персоналом) и техническими средствами, различными по функциональному назначению и принципам действия. Задача идентификации физиологического состояния человека и его способности решать поставленные функциональные задачи относится к классу плохо обусловленных (слабо структурированных) задач, решение которых в настоящее время осуществляется с использованием экспертных систем.

Участие человека в процессе управления требует решения ещё одной чрезвычайно интересной и сложной задачи - задачи поддержания необходимой квалификации и навыков управления обслуживающего персонала. Дело в том, что при чрезмерной автоматизации процесса управления и, как следствие этого, недостаточно интенсивной работе человека-оператора снижаются его профессиональные навыки, что приводит к возникновению нештатных ситуаций или авариям. Задача поддержания необходимой квалификации персонала решается в эргатических системах введением в систему управления профессиональных тестов и контрольных задач, имитирующих предаварийные и аварийные ситуации в системе. Анализ профессиональных действий человека-оператора, выполняющего эти задачи, осуществляется системой управления и документируется. На основе этого анализа для каждого участника управления формируются новые тесты и контрольные задачи, учитывающие ошибки, допущенные именно этим оператором.

Рассматриваемый класс распределенных информационных систем функционирует, как правило, в условиях неполноты и недостоверности информации о координатах и параметрах системы, неопределённости некоторых оценок и показателей. Это делает необходимым разработку системы управления в виде интеллектуальной системы, в которой совмещается интеллект профессионала оператора и искусственный интеллект экспертной системы, являющейся частью интеллектуальной системы. Совмещение интеллектов приводит к необходимости решения проблемы: кому в каждой сложившейся ситуации следует отдать предпочтение - экспертной системе или оператору. Решение этой проблемы связано с оценкой квалификации оператора, осуществляющего управление в системе. Если квалификация исполнителя выше, то экспертная система выдает рекомендации, которые учитываются оператором при принятии решения по управлению системой. Система управления выполняется в этом случае как система принятия решений. В противном случае принятие решения осуществляет экспертная система.

Учитывая, что с РИС работают профессионалы высокой квалификации, системы управления ими проектируются и выполняются как системы принятия решений. Рассматриваемые РИС являются, как правило, непрерывно-дискретными системами, т.е. системами, вектор состояния которых может изменяться "скачком" в дискретный момент времени. Мгновенное изменение вектора состояния системы может быть вызвано как появлением дискретного события, так и при выполнении определённых условий при взаимодействии непрерывных координат. Изменение вектора состояния в зависимости от некоторого параметра, определяющего характеристики системы, определяется как процесс. Для рассматриваемого класса систем - динамических непрерывно-дискретных систем - в качестве такого параметра выбирается время. С учётом этого замечания процесс управления P определяется как ориентированная во времени конечная или бесконечная последовательность дискретных событий, разделённых непрерываемыми промежутками времени t. Процесс всегда ассоциируется с каким-либо объектом, входящим в систему, и выступает в связи с этим как средство функциональной декомпозиции системы. Формально процесс управления задаётся перечислением (кортежем):

P = {t0, X , T , t},

информационный система уравнение теория

где t - время, параметр процесса; t0 - время активизации процесса; Х(t) - вектор состояния процесса; T = {ti, i IT} - протокол (трасса) процесса, т.е. множество моментов времени, в которые происходят события, вызывающие изменения состояния функциональных задач и, как следствие этого, дискретные изменения вектора состояния процесса. Параметры процесса t0, Х, Т зависят от состояния системы S(t).

В связи с этим, процесс управления в РИС является нестационарным и недетерминированным и классифицируется как векторный асинхронный параллельный.

Рассмотрение РИС и их основных характеристик позволяет сосредоточиться на процессах информационного обмена между компонентами, так как именно они в значительной степени определяют надежность системы.

Литература

1. Еременко В.Т. Математическое моделирование процессов информационного обмена в распределенных управляющих системах.: Монография / Под общей редакций Константинова И.С. - М.: Машиностроение - 1, 2004. - 224 с.

Размещено на Allbest.ru