Интеллектуальная поддержка процедур синтеза информационно-управляющих систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Тин Чжо

• Тин Чжо
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Тин Чжо

Введение...................................................................................................................4

1. СИНТЕЗ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ......................................9

1.1. Проектирование сложных технических систем.......................................9

1.2. Внешнее и внутреннее проектирование.................................................13

1.3. Аспекты, уровни и этапы проектирования.............................................14

1.4. Функциональное проектирование систем..............................................15

1.5. Автоматизация проектирования сложных технических систем..........16

1.6. Задачи анализа и синтеза в процессе проектирования..........................18

1.7. Структурно-параметрический синтез.....................................................21

1.8. Выводы.......................................................................................................22

2. ОПТИМАЛЬНЬШ МНОГОКРИТЕРИАЛЬНЫЙ ВЫБОР В ЗАДАЧАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ............24

2.1. Задачи принятия решений........................................................................24

2.2. Принятие решения - как задача оптимизации.......................................27

2.3. Задача многокритериального выбора.....................................................29

2.4. Задача оптимального выбора объектов..................................................31

2.5. Оптимальный выбор в задаче синтеза сложных систем.......................33

2.6. Выбор совокупности разнородных объектов из общего множества...35

2.7. Выбор совокупности объектов, частично соответствующих поставленным условиям....................................................................................37

2.8. Многокритериальная оптимизация.........................................................39

2.9. Использование однокритериальной оптимизации................................40

2.10. Свертка критериев.................................................................................41

2.11. Определение относительной важности критериев.............................42

2.12. Снижение размерности задач многокритериального выбора...........43

2.13. Интеллектуальный анализ данных как способ сокращения размерности задачи многокритериального выбора........................................47

2.14. Многокритериальная классификация..................................................48

2.15. Кластерный анализ................................................................................50

2.16. Выводы....................................................................................................52

3. АЛГОРИТМ ОПТИМАЛЬНОГО ВЫБОРА В ПРОЕКТНЫХ ПРОЦЕДУРАХ......................................................................................................53

3.1. Задача выбора подмножества объектов по заданным критериям.......53

3.2. Выбор подмножества элементов, полностью соответствующих критериям............................................................................................................55

3.3. Выбор подмножества элементов, частично соответствующих критериям............................................................................................................57

3.4. Метрики в задаче структурной оптимизации........................................58

3.5. Использование транспортной задачи на этапе структурной оптимизации.......................................................................................................60

3.6. Использование критериев выбора в виде ограничений и интервалов 62

3.7. Выбор объектов, исходя из минимизации воздействий.......................64

3.8. Сокращение размерности задачи выбора при выполнении проектных процедур..............................................................................................................65

3.9. Алгоритм многокритериального оптимального выбора.......................67

3.10. Выводы....................................................................................................71

4. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ, ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМА МНОГОКРИТЕРИАЛЬНОГО ВЫБОРА............72

4.1. Программная реализация алгоритма многокритериальной структурной оптимизации.................................................................................72

4.2. Тестовая задача 1. Поиск подмножества объектов, полностью соответствующего поставленным требованиям.............................................73

4.1. Тестовая задача 2. Поиск подмножества объектов, максимально близко соответствующего поставленным требованиям................................79

4.2. Применение алгоритма для выбора группы микроконтроллеров.......95

Заключение...........................................................................................................101

Публикации автора по теме диссертации.........................................................102

Список литературы..............................................................................................104

Приложение. Акт внедрения результатов работы...........................................107

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интеллектуальная поддержка процедур синтеза информационно-управляющих систем»

Актуальность проблемы. Несколько десятилетий продолжается интенсивное развитие цифровой, вычислительной и микропроцессорной техники. Результатом этого является все более широкое применение разнообразных электронных систем контроля для управления реальными объектами.

Использование вычислительной и микропроцессорной техники дает возможность повысить эффективность работы управляемых объектов, значительно снизить затраты на создание и эксплуатацию управляющих систем, уменьшать их габариты и массу, потребляемую мощность, внедрять системы в те области, в которых они до этого не применялись.

Современная информационно-управляющая система (ИУС) - это комплекс аппаратных и программных средств, обеспечивающий непрерывную надежную работу различных объектов в реальном масштабе времени.

Как правило, функционирование ИУС при работе с реальными объектами в составе производственных систем связано с решением целого комплекса задач, включая и необходимость обмена информацией с большим числом внешних устройств. Выполняемые задачи характеризуются большой продолжительностью непрерывной работы при поддержании высокой устойчивости к отказам.

Проектирование ИУС представляет собой сложный и длительный многоэтапный процесс, на многих этапах которого осуществляется поиск наилучших решений среди множества возможных.

Одним из этапов проектирования ИУС, на котором закладываются ее функциональные возможности, является этап структурно-параметрического синтеза. Современные математические модели и вычислительные методы могут использоваться на нем как для определения оптимальных параметров системы при заданной структуре, так и для поиска оптимальной структуры,

реализующей фиксированный набор параметров.

Автоматизированное проведение процедур синтеза ИУС является вычислительно сложной и трудно формализуемой задачей, особенно на начальных этапах.

Высокие требования к результатам проектирования приводят к необходимости рассмотрения большого количества вариантов построения системы, что можно осуществить только, опираясь на широкое использование средств вычислительной техники.

Повышение уровня автоматизации всех этапов и процедур синтеза может значительно сократить время разработки новых устройств, уменьшить число проектных ошибок.

Достижение этих целей возможно только при совершенствовании математического и алгоритмического обеспечения инструментов, решающих задачу автоматизированного синтеза сложных технических систем.

Вычислительная сложность задачи оптимального выбора варианта построения структуры системы или ее части определяется ее многокритериальностью.

В работе предлагается новый подход к решению задачи оптимального многокритериального выбора варианта построения системы (подсистемы), основанный на снижении ее размерности и вычислительной сложности с помощью методов интеллектуального анализа данных.

Цель работы и задачи исследования. Диссертационная работа посвящена решению задач оптимального многокритериального выбора на основных этапах процесса синтеза сложных систем, а также исследованию методов снижения их вычислительной сложности при высокой размерности. Это соответствует областям исследований, определенных в паспорте специальности 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации» (п.4 и п.7).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие основные задачи:

1. Формализация процедур принятия проектных решений при синтезе сложных систем, как задачи оптимального выбора.

2. Разработка алгоритма оптимального многокритериального выбора варианта построения системы на основе предварительно сформулированных требований с возможностью снижения размерности задачи с помощью методов интеллектуального анализа данных.

3. Программная реализация разработанного алгоритма.

4. Проведение вычислительных экспериментов, оценка точности и эффективности разработанного алгоритма.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является процесс проектирования сложных информационно-управляющих систем.

Предмет исследования составляют методы принятия проектных решений и оптимального многокритериального выбора при синтезе сложных систем, снижения вычислительной сложности этих задач.

Методы исследования. При решении поставленных задач были использованы методы общей теории систем, теории принятия решений и интеллектуального анализа данных.

Научная новизна. В диссертации предложен алгоритм оптимального многокритериального выбора варианта построения системы на основе предварительно сформулированных требований, исследованы методы интеллектуального анализа данных и их применимость для снижения размерности задач оптимального выбора элементов системы.

Практическая значимость. Предложенный в работе алгоритм может быть использован в ходе проектирования информационно-управляющих и человеко-машинных систем. Его применение позволит снизить размерность и вычислительную сложность задач оптимального выбора, что дает возможность автоматизировать процесс принятия проектных решений.

Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена корректным использованием общепринятых математических методов,

современных технологий программирования, сериями проведенных экспериментов.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы используются на кафедре вычислительной техники МИЭТ при изучении дисциплины «Интеллектуальные системы».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Формализация процедур принятия проектных решений при синтезе сложных систем, как задачи оптимального выбора.

2. Алгоритм многокритериального выбора варианта построения сложной системы, использующий методы интеллектуального анализа данных для снижения размерности задачи оптимального выбора.

3. Программная реализация алгоритма.

4. Результаты экспериментальных исследований эффективности алгоритма.

Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены и обсуждались на 9 международных, всероссийских и межвузовских научных конференциях:

1. Микроэлектроника и информатика - 2010. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ

2. Микроэлектроника и информатика - 2011. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ

3. Актуальные вопросы современной техники и технологии. IV Международная научная заочная конференция. Липецк, 2011.

4. Актуальные проблемы науки. Международная научно-практическая конференция, Тамбов, 2011.

5. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2011.

6. Современные вопросы науки и образования - XXI век, Международная заочная научно-практическая конференция, Тамбов, 2012.

7. Микроэлектроника и информатика - 2013. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. МИЭТ.

8. Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике. 6-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. МИЭТ, 2013.

9. Микроэлектроника и информатика 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая канференцая студентов и аспирантов. МИЭТ

Публикации. По материалам диссертации опубликовано восемь тезисов докладов и шесть статей, в том числе четыре в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объём диссертационной работы. Рукопись диссертационной работы, общим объемом 107 страниц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 30 источников и приложения.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Тин Чжо

Проведенные в диссертации исследования позволяют сформулировать

следующие основные результаты:

1. Массовое использование микропроцессорных систем для управления сложными техническими устройствами делает актуальной задачу автоматизации проектных процедур на этапах их синтеза, в процессе которого производится оптимальный подбор, как элементной базы, так и декомпозиция функционала. Предложена формализация процедур принятия проектных решений при синтезе сложных систем, как задачи оптимального выбора, позволяющая использовать для ее решения аппарат теории графов.

2. Показано, что выбор элементов сложной системы можно сформулировать как задачу многокритериальной оптимизации. В работе предложен алгоритм оптимального многокритериального выбора варианта построения системы на основе предварительно сформулированных требований.

3. Вычислительная сложность задачи оптимального выбора определяется функционалом проектируемой системы, что затрудняет ее автоматизацию при больших значениях размерности множества компонентов и требований. Проведенный анализ различных подходов к снижению вычислительной сложности задач многокритериального выбора позволил для структурно-параметрического синтеза предложить метод разбиения задачи выбора на подзадачи, совмещенный с кластерным анализом данных для снижения размерности множества объектов.

4. Разработанный алгоритм был программно реализован, что позволило провести вычислительные эксперименты, которые доказали его практическую эффективность и подтвердили обоснованность теоретических предположений. Использование предварительной кластеризации позволяет в 2-3 раза снизить размерность задачи выбора без существенных изменений точности решения. В тестовых задачах такое снижение составило менее 7%, что является приемлемым при инженерных расчетах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Тин Чжо, 2014 год

Публикации автора по теме диссертации.

1. Тин Чжо. Подходы к обеспечению безопасности в СУБД MS SQL Server. //Микроэлектроника и информатика -17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2010. - С. 182.

2. Тин Чжо. Кластерный анализ при решении задачи многокритериальной оптимизации. // Микроэлектроника и информатика» 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2011. - С.164.

3. Тин Чжо. Использование методов интеллектуального анализа данных для решения задач многокритериальной оптимизации. // Международная научная заочная конференция «Актуальные вопросы современной техники и технологии» Российская Федерация, г. Липецк, 29 января 2011г., - С. 64-65.

4. Тин Чжо. Использование кластерного анализа при решении задач многокритериальной оптимизации. // Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы науки» Российская Федерация, г. Тамбов, 27 сентября 2011 г., - С. 122-123.

5. Тин Чжо. Использование кластерного анализа при решении задач оптимизации. // «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике 2011» 4-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. -М., МИЭТ, 2011.-С. 169.

6. Тин Чжо, Хтет Мин Пью. Выбор подмножества объектов с помощью алгоритмов линейного программирования. // Международная заочная научно-практическая конференция «Современные вопросы науки и образования - XXI век» Российская Федерация, г. Тамбов, 29 января 2012г, -С. 137-138.

7. Тин Чжо, Хтет Мин Пью. Использование графовых баз данных в системах управления процессами. // «Микроэлектроника и информатика» 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2013. - С. 172.

8. Тин Чжо. Особенности структурно-параметрического синтеза сложных систем. // «Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике 2013» 6-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2013. - С. 147.

9. Тин Чжо, Хтет Мин Пью. Оптимизационный подход к задаче выбора подмножества объектов. // «Микроэлектроника и информатика» 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2013. - С.221.

10. Тин Чжо. Решение задач многокритериального выбора при проектировании информационно-управляющих систем. //«Микроэлектроника и информатика» 21-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Тезисы докладов. - М., МИЭТ, 2014. -С.172.

11.Тин Чжо, Чжо Зо Е, Хтет Мин Пью. К вопросу повышения производительности систем распределенной обработки данных. // «Естественные и технические науки» № 4, 2012. С. 277-278. (перечень ВАК).

12.Киселев Д.В., Киселева Т.П., Тин Чжо, Хтет Мин Пью. Оптимизация выбора элементов технической системы с помощью интеллектуального анализа данных // «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии», Госуниверситет-УНПК, № 6 (296), 2012, - С. 123-126. (перечень ВАК)

13.Тин Чжо, Тант Зин Пью, Пья Сон Ко Ко, Пэйе Тэйн Наинг. Методика системы распознавания образов с помощью самоорганизующихся карт Кохонена нейронных сетей на основе Ма^аЬ. // Интернет Журнал «Науковедение», № 5 (18), 2013 (перечень ВАК)

М.Киселев Д.В., Тин Чжо, Пущин М.Н., Мьо Мин Све. Задачи многокритериального выбора при синтезе технических систем. // Интернет Журнал «Науковедение», № 4 (23), 2014 (перечень ВАК)

1. Лоскутов А.Ю., Михайлов A.C. Основы теории сложных систем. М. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и стохастическая динамика», 2007. 612 с.

2. Норенков И.П. Экстремальные задачи при схемотехническом проектировании в электронике, 1976.

3. Иванько А.Ф., Иванько М.А., Сидоренко В.Г., Фалк Г.Б. Автоматизация проектирования систем и средств управления. М.: Изд-во МГУП, 2001. 148 с.

4. Цвиркун А.Д. Структура сложных систем. М., 1975.

5. Пьявченко Т. А., Финаев В.И.. Автоматизированные информационно-управляющие системы. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2007. -271с.

6. Бельков В.Н., Ланшаков В. Л. Автоматизированное проектирование технических систем. Издательство "Академия Естествознания", 2009.

7. Казаринов С., Шнайдер Д.А., Барбасова Т.А.. Автоматизированные информационно-управляющие системы. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2008. - 320 с.

8. Божко А. Н. Структурный синтез как задача дискретной оптимизации // Электронное научно-техническое издание «Наука и образование» № 9, сентябрь 2010

9. Г. С. Антушев. Методы параметрического синтеза сложных технических систем. Наука, 1989 - 87 с.

10. C.B. Акимов. Анализ проблемы автоматизации структурно-параметрического синтеза / Информационные технологии. Доклады ТУСУРа, №2 (24), часть 2, декабрь 2011. С 204 - 211.

11. Акимов C.B. Компьютерные модели для автоматизированного структурно-параметрического синтеза / Компьютерное моделирование 2004:

Труды 5-й международной конференции. Часть 1 / СПб.: «Нестор», 2004, С. 191-197.

12. А.Б. Петровский. Теория принятия решений. М.: Издательский центр «Академия», 2009. - 400с.

13. Лотов A.B., Поспелова И.И. Многокритериальные задачи принятия решений: учеб. пособие. — М.: МАКС Пресс, 2008.— 197 с.

14. В.А. Гончаров. Методы оптимизации. М.: Высшее образование, 2009 .- 191с.

15. Подиновский В. В., Ногин В. Д. Парето-оптимальные решения многокритериальных задач. — М.: Наука, 1982.

16. Ногин В. Д. Принятие решений в многокритериальной среде: количественный подход. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002, 2005, 176 с.

17. В.В. Подиновский. Выбор нескольких лучших объектов при частичном отношении предпочтения // Доклады академии наук, 2009, том 424, №5, с. 604-606.

18. Б.С. Лещинский. Нечеткий многокритериальный выбор объектов недвижимости // Вестник Томского государственного университета № 279 / 2003

19. Е.С. Пехота, В.О. Александрова. Анализ алгоритмов многофакторного выбора оптимальных параметров на примере интернет-магазина компьютерной техники // «Проблемы моделирования, проектирования и разработки программных средств» - 2011.

20. Г. В. Ройзензон. Многокритериальный выбор вычислительных кластеров // Труды ИСА РАН 2005. Т. 12, с 68-94

21. Хализев В. Н., Кузьмин Д. И. Методика выбора оптимального набора средств программно-аппаратной защиты информации. // «Физико-математические науки и информационные технологии: теория и практика»: материалы международной заочной научно-практической конференции. (26 ноября 2012 г.)

22. Основы менеджмента / под ред. А.И. Афоничкина. - СПб.: Питер, 2007.-528 с.

23. Привалова Ю.А. Математические модели и методы оптимизации выбора объектов в процессе технической подготовки производства (на примере легкой промышленности). Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Омск, 2007.

24. Янковская А. Е., Гедике А. И. Логический вывод на основе оптимального подмножества смешанных диагностических тестов в интеллектуальных системах. ПДМ, 2010, приложение № 3, 105-108

25. Сайт «Многокритериальный выбор на конечном множестве альтернатив» URL [http://www.mcd-svir.ru] (Дата обращения: 04.08.2014)

26. А.А. Барсегян, М.С. Куприянов, И.И. Холод, М.Д. Тесс, С.И. Елизаров. Анализ данных и процессов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2009 - 512 с.

27. С.А. Айвазян,В.М. Бухштабер, И.С. Енюков, Л.Д. Мешалкин; под ред. С.А. Айвазяна. Прикладная статистика. Классификация и снижение размерности. - М.: Финансы и статистика, 1989. - 607с.

28. Свами М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы. М.: Мир, 1984,-454 с.

29. А. В. Кузнецов, Н. И. Холод, Л. С. Костевич. Руководство к решению задач по математическому программированию. — Минск: Высшая школа, 1978. — 110с.

30. Томас X. Кормен и др. Алгоритмы: построение и анализ -INTRODUCTION ТО ALGORITHMS — М.: «Вильяме», 2006. — 1296с.