Модели и алгоритмы анализа функционирования систем информационно-технической поддержки с переменной структурой на предприятии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Десятов, Андрей Дмитриевич

• Десятов, Андрей Дмитриевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Десятов, Андрей Дмитриевич

Введение.

Глава 1. Принципы построения и модели систем информационно-технической поддержки с адаптивной структурой.

1.1. Анализ методов формирования и адаптации структуры сложных организационно-технических систем.

1.2. Концептуальное и функциональное описание систем информационно-технической поддержки.

1.3. Модели динамики состояний для типовых элементов системы информационно-технической поддержки.

Выводы по главе.

Глава 2. Алгоритмы анализа и оптимизации структуры сложной системы.

2.1. Формализованное описание процесса управления структурной динамикой сложной системы.!.42

2.2. Анализ структурных противоречий в процессе функционирования сложных систем.

2.3. Выбор структуры сложной системы по критерию времени взаимодействия с объектом обслуживания.

Выводы по главе.

3. Статистические алгоритмы анализа аномальных ситуаций в процессе функционирования элементов и уровней обслуживания системы информационно-технической поддержки.

3.1. Постановка задачи выделения аномальных ситуаций на основе методов обнаружения «разладки».

3.2. Синтез и анализ алгоритмов обнаружения «разладки» для отдельного элемента обслуживания.

3.3. Синтез и анализ алгоритмов обнаружения «разладки» для уровня обслуживания.

3.4. Синтез и анализ алгоритмов обнаружения «разладки» для неоднородного входящего потока заявок.

Выводы по главе.

Глава 4. Технология автоматизированного создания моделей и программный комплекс для компьютерного моделирования систем с переменной структурой

4.1. Общая структура разработанного программного комплекса.

4.2. Модели элементов системы информационно-технической поддержки с использованием формализма гибридных автоматов.

4.3. Технология автоматизированного создания моделей системы с переменной структурой.

4.4. Компьютерное моделирование системы информационно-технической поддержки с переменной структурой.

Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модели и алгоритмы анализа функционирования систем информационно-технической поддержки с переменной структурой на предприятии»

В условиях функционирования современных информационно-управляющих систем, постоянного усложнения реализуемых в них бизнес-процессов и возрастания требований к используемым информационным технологиям (ИТ) вопрос нормального функционирования ИТ-сервисов приобретает весьма важное значение. Эффективное сопровождение используемых ИТ-технологий и оборудования оказывается критичным для достижения поставленных для предприятия целей. Когда пользователь или клиент сталкиваются с какой-либо проблемой (неисправностью, сбоем, просто неумением пользоваться), он хочет получить квалифицированную помощь в работе с приобретенной им услугой или программным продуктом. При этом единственно, что его интересует — это максимально быстрое и качественное решение возникшей проблемы.

Опыт эксплуатации подобных систем [4,12,19,45] показал, что наилучшее значение показателя качества ИТ-сервисов достигается в случае соблюдения следующих принципов.

1. По всем вопросам, связанным с использованием сервисов, пользователи должны обращаться только в систему информационно-технической поддержки.

2. В рамках отдела информационных технологий на предприятии должна существовать выделенная группа сотрудников, имеющих компетенции различного уровня, которая будет обеспечивать разрешение проблемных ситуаций по запросам пользователей, в том числе и привлекая возможности внешних поставщиков сервиса.

3. Порядок оказания поддержки пользователям должен быть четко формализован для всех участников процесса: пользователей, диспетчеров, специалистов информационной службы и внешних поставщиков сервисов [19].

С организационной точки зрения эти принципы позволяют построить реально полезную для организации систему поддержки пользователей. Анализ работы современных систем информационно-технической поддержки (ИТП) на предприятии позволяет отнести их к классу сложных организационно-технических систем. В этом плане одной из основных особенностей их функционирования является тот факт, что параметры и структуры системы на различных этапах жизненного цикла могут изменяться под действием объективных и субъективных факторов [83].

Известно, что взаимоотношение функций и структуры системы в процессе ее развития характеризуется как единством, так и противоречиями. При этом разрешение указанных противоречий может осуществляться различными альтернативными путями, включая полный отказ от старой структуры, переставшей соответствовать новым функция (в случае возникновения системной проблемы), до модернизации старой структуры и коррекции процесса функционирования системы (в данном случае, принято говорить о наличии функциональной проблемы)[9].

Управление структурной динамикой сложных организационно-технических систем предназначено для целенаправленного формирования оптимальной последовательности действий, которая должна обеспечить разрешение диалектического противоречия между функциями и соответствующими структурами на каждом из этапов жизненного цикла системы.

Очевидно, что решения об изменении структуры системы принимаются не спонтанно, а инициируются изменениями состояния управляемого процесса. Другими словами, запуск процесса синтеза структуры — это ситуативная реакция системы управления на изменения управляемого процесса с целью приведения его к нужному (целевому) состоянию [83]. Если эта реакция замедленная или неадекватная, то говорить об эффективности управления, а, следовательно, и об эффективности всей системы поддержки в целом, не приходится. Она заведомо будет низкой. Отсюда вытекает важнейшее требование к управлению структурной динамикой сложных систем: повышение уровня адекватности управленческих решений состоянию управляемого процесса и сокращение времени реагирования системы на изменение состояния управляемого процесса. В результате возникает необходимость решения задачи управления в условиях неопределенности исходных данных для принятия решения об управляющих воздействиях. Адаптивные системы могут приспосабливаться к изменениям внешней среды и самого объекта управления, а также улучшать свою работу по мере накопления опыта, т.е. информации о результатах управления [79,93].

Вопросы синтеза и анализа сложных технических и организационно-технических систем с адаптивно изменяемой структурой рассматривались в работах М.Ю. Охтилева, Б.В. Соколова, Н.М. Александровского, А.Д. Цвиркуна, В.Н. Фомина, Л.А. Растригина и др. [83,5,93,9,107,109,111]. На содержательном уровне проблема управления структурной динамикой сложной системы и ее основных элементов на различных этапах жизненного цикла сводится к решению следующих основных классов задач:

- задачи моделирования и анализа структурной динамики сложной системы;

- задачи оперативной диагностики (наблюдения) состояния отдельных элементов и системы в целом;

- задачи выбора оптимальных программ управления структурной динамикой сложной системы и их регулирование в различных условиях обстановки (в том числе и задачи синтеза самой системы и ее системы управления на различных этапах жизненного цикла) [83].

Таким образом, одной из важнейших целей управления является управление структурной динамикой системы в интересах обеспечения максимально возможного уровня работоспособности системы в целом и ее отдельных элементов в каждый момент времени. Для ее достижения широко используют функцию реконфигурации структуры, которая включает в себя следующие операции: диагностика состояния системы по данным всевозможных наблюдений, поиск вариантов допустимой структуры, выбор варианта, контроль с помощью средств диагностирования результатов воздействия на структуру. Методы управления структурной динамкой систем широко используют возможности по перераспределению функций, выполняемых системой, между действующими элементами для оперативной подстройки к изменяющимся условиям среды.

Проводя реконфигурацию структуры, необходимо стремиться оперативно и с максимальной полнотой использовать сохранившиеся ресурсы организационно-технической системы для выполнения основных функций автоматизированного управления объектами с учетом изменения способов применения системы [41]. При этом основное отличие реконфигурации структур от управления резервами состоит в том, что реконфигурация может применяться и в тех случаях, когда резервы исчерпаны, но возможен переход на уровни работоспособности с понижением качества выполнения целевых задач объектами системы. Данные вопросы приобретают особую актуальность в настоящее время в связи с высокой степенью неопределенности поведения элементов и систем, в том систем ИТП в условиях нестационарной рабочей нагрузки. Анализ показывает [5,14,94], что любая организационно-техническая система, функционируя в нестационарной внешней среде, только тогда сможет эффективно выполнять поставленные целевые задачи и вырабатывать соответствующие плановые и регулирующие воздействия, когда в ней будут реализованы особые механизмы адаптации, состоящие в изменении параметров и структуры моделей (алгоритмов) планирования и управления объектами, входящими в состав специального программно-математического обеспечения. Таким образом, среди задач, связанных с реконфигурацией структуры сложной системы особое значение в настоящее время начинает приобретать задача структурной и параметрической адаптации к изменяющимся условиям обстановки.

При оптимизации процессов функционирования сложных систем обычно требуется знание их динамических характеристик. Эффективным является определение динамических характеристик объекта с помощью некоторой настраиваемой динамической модели, что позволяет использовать полученную модель также для решения различных задач управления. Моделирование позволяет решать следующие задачи:

- определение математического описания (динамических характеристик объекта) и использование этого описания для проектирования системы управления, настройки регуляторов и других элементов (модель как датчик характеристик объекта);

- изменение характеристик системы управления в желаемом направлении (модель как корректирующее устройство);

- измерение действительного или желаемого динамического состояния объекта в настоящем или будущем [85].

В тоже время, многочисленные исследования [10,92,102,116] показали, что разработка моделей, ориентированных на широкую предметную область является трудно разрешимой задачей. Этот факт приводит к необходимости создания моделей, специализированных по классу моделируемых объектов в конкретной предметной области. Поэтому, несмотря на имеющиеся публикации по вопросам концептуального и функционального моделирования систем информационно-технической поддержки, нельзя говорить о глубокой проработке предметной области, рассматриваемой в данном диссертационном исследовании. В частности, отсутствует методология перехода от функциональных моделей к имитационным моделям, используемым для изучения динамических свойств и переходных процессов систем ИТП. Анализ [58,92,100] позволяет также сформулировать принципиальную особенность процесса моделирования сложных организационно-технических систем, определяющую эффективность исследования: необходимость широкого использования средств автоматизации моделирования. Отсутствие указанных средств автоматизации приводит к выделению больших затрат (временных, денежных и других ресурсов) каждый раз при необходимости изменения структуры моделируемой системы. В настоящий момент распространенные инструментальные средства и языки имитационного моделирования предоставляют недостаточную поддержку для изучения систем с переменной структурой в случае необходимости перестроения структуры непосредственно в режиме симуляции и наблюдения за переходным процессом, сопровождающим вносимые изменения. Однако, технологии автоматизированного изменения моделей, разработанных с использованием базовых инструментальных средств и сред имитационного моделирования, в известных работах реализованы в недостаточной степени.

Необходимо также отметить следующее. Если исследуемые процессы характеризуются малым влиянием контролируемых и неконтролируемых величин на выходную величину, то в этом случае можно проводить однократный синтез структуры организационно-технической системы, осуществив направленный поиск в пространстве структурных состояний системы. Задачей оптимизации в данном случае будет являться выбор той структуры, при которой обеспечивается достижение целевого критерия. Такая оптимизация является статической и требует своего решения в классе систем информационно-технической поддержки с учетом потребностей минимизации времени реакции системы при разрешении возникающих проблем пользователей.

Если же процессы функционирования системы характеризуются значительным влиянием неконтролируемых нестационарных воздействий на выходную реакцию, которая в общем случае изменяется случайно, то закон изменения управляющих воздействий заранее не может быть известным и должен исследоваться в процессе функционирования системы. Исследование объекта управления в динамике функционирования должно установить границы оптимальных режимов, определить тенденции изменения выходной реакции системы и выявить переходные характеристики процесса [55]. При этом если окажется, что время изменения выходной величины мало по сравнению со временем переходных процессов то необходима оптимизация в динамике и, следовательно, необходимо проводить диагностику текущих характеристик системы. Хотя проблема диагностирования состояния объектов управления рассмотрена достаточно глубоко, в настоящее время важно осуществить переход от традиционного принципа апостериорного выявления фактов перехода организационно-технической системы в неработоспособное состояние (принцип констатации), к принципам оперативного опережающего обнаружения аномальных ситуаций, выявления и устранения их причин в интересах стабилизации основных показателей рассматриваемых объектов в процессе эксплуатации. При этом представляется целесообразным ориентироваться на последовательные методы принятия решения на основе статистического анализа наблюдаемых данных с учетом специфики функционирования систем ИТП.

Таким образом, тема диссертации, посвященная обоснованию моделей систем информационно-технической поддержки и разработке алгоритмов анализа статических и динамических свойств данного класса систем в интересах оптимизации их структуры и оперативной диагностики аномальных ситуаций, представляется актуальной.

Тема диссертации непосредственно связана с научным направлением Воронежского государственного университета — «Математическое моделирование, программное и информационное обеспечение, методы вычислительной и прикладной математики и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в естественных науках».

Целью работы является разработка моделей и алгоритмов анализа процессов функционирования систем информационно-технической поддержки с переменной структурой на предприятии в интересах минимизации времени V реакции и оперативной диагностики аномальных ситуаций.

Объектом исследования выступает система информационно-технической поддержки предприятия как сложная организационно-техническая система.

Предметом исследования является математическое и алгоритмическое обеспечение моделирования и анализа процессов функционирования систем информационно-технической поддержки с переменной структурой.

Для достижения цели в работе рассматриваются и решаются следующие задачи.

1. Анализ известных методов и алгоритмов формирования и адаптации сложных организационно-технических систем с учетом потребностей задачи реконфигурации структуры системы ИТП в изменяющихся условиях.

2. Построение концептуальных и функциональных объектно-ориентированных моделей системы ИТП.

3. Формирование совокупности критериев для выявления структурных противоречий, определяющих функциональную работоспособность системы, и разработка алгоритмов, обеспечивающих анализ и синтез структуры системы ИТП по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания.

4. Разработка последовательных алгоритмов выявления аномальных ситуаций в процессе функционирования системы методами обнаружения «разладки» для оперативного диагностирования состояния системы ИТП и проведение экспериментальных исследований возможностей полученных алгоритмов.

5. Разработка технологии для проведения имитационного моделирования в интересах исследования процессов, сопровождающих изменение структуры системы, и ее апробация для анализа функционирования систем ИТП.

Методы проведения исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и вычислительные методы современной теории систем, а именно: аппарат дискретной математики и теории графов; аппарат теории принятия статистических решений; методы исследования операций и системного анализа; методы теории вероятностей; модели и методы теории систем массового обслуживания; технологии объектно-ориентированного программирования, а также методы и технологии статистического имитационного моделирования.

Основные результаты, выносимые на защиту, и их научная новизна.

На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или полученные в настоящей работе:

1. Модели функционирования системы ИТП, отличающиеся использованием объектно-ориентированных представлений процессов взаимодействия с внешними объектами обслуживания и динамики состояний ее элементов и уровней, что обеспечивает последующую разработку математического и программного обеспечения для исследования системы с изменяющейся структурой.

2. Совокупность критериев выявления структурных противоречий для проверки функциональной работоспособности системы и выполнения базовых структурных ограничений, а также алгоритм синтеза структуры сложной системы по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания, использующий модифицированную процедуру Форда-Фалкерсона поиска минимального сечения на графе.

3. Алгоритмы выявления аномальных ситуаций в процессе функционирования отдельных элементов и уровней системы ИТП на предприятии, отличающиеся использованием последовательных статистических методов обнаружения «разладки» для фиксации негативных изменений параметров базовых элементов и обеспечивающие минимизацию времени их выявления, а также зависимости для среднего времени запаздывания и ложной тревоги при принятии решений от параметров алгоритма обработки.

4. Автоматизированная технология создания объектно-ориентированных имитационных моделей систем, отличающаяся использованием формализма карт состояний Харела и обеспечивающая проведение непрерывного моделирования и исследования переходных процессов при функционировании систем в процессе изменения структуры.

Научная новизна полученных результатов работы определяется следующим.

1. Предложены объектно-ориентированные модели многоуровневой системы ИТП на предприятии, определяющие принципы построения математического и компьютерного моделирования с использованием формализма гибридных автоматов (карт состояний Харела) для исследования ситуативных изменений структуры в динамике функционирования. На их основе разработана сквозная автоматизированная технология конструирования имитационных моделей сложной системы с различным количеством уровней и элементов на каждом уровне, использующая обоснованный набор базовых элементов модели и реализующая возможность изменения структуры непосредственно в процессе имитационного моделирования.

2. Уточнена совокупность критериев выявления структурных противоречий в процессе синтеза сложной организационно-технической системы, определяющих ее функциональную работоспособность и являющихся базовыми ограничениями к задаче структурного синтеза системы, и предложен алгоритм анализа указанных ограничений в виде совокупности логических процедур проверки выполнения сформулированных критериев.

Алгоритм синтеза структуры системы ИТП по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания основан на ее представлении в виде дискретной ситуационной сети и реализует модифицированную процедуру Форда-Фалкерсона для поиска минимального сечения на графе, позволяющую избежать выполнения вычислительных операций по нахождению сечения в полном объеме при последующей модификации структуры системы в процессе адаптации. Использование преобразований графа, необходимых для построения фундаментальной системы сечений усовершенствованной процедуры • Форда-Фалкерсона, обосновано путем формулирования и доказательства ряда промежуточных теорем.

3. Задача оперативной диагностики аномальных ситуаций поставлена и решена как задача обнаружения «разладки», возникающей при изменении вектора параметров рабочей нагрузки, элементов и уровней обслуживания системы ИТП (интенсивности входного потока запросов пользователей, интенсивности обслуживания, вероятности правильной классификации при наличии неоднородного входного потока и др.) в направлении, характеризующем снижение работоспособности системы. С использованием асимптотического разложения Ле Кама получены аналитические выражения для накапливаемых статистик алгоритмов кумулятивных сумм, используемых для обнаружения «разладки» по отношению к перечню негативных (аномальных) ситуаций при диагностике состояния системы ИТП. Методом статистического моделирования определены рациональные значения параметров настройки синтезированных алгоритмов.

Достоверность результатов работы. Достоверность основных результатов диссертационных исследований определяется сочетанием различных методов исследований как теоретических, так и экспериментальных (имитационное моделирование), совпадением результатов, полученных различными методами между собой, наглядной физической трактовкой установленных закономерностей и соотношений.

Значимость для науки и практики определяется созданием моделей, алгоритмов обработки информации и программных средств для моделирования и диагностики процессов функционирования систем ИТП на предприятии, обеспечивающих выработку рекомендаций по их поисковой оптимизации.

Концептуальные и функциональные модели, полученные для систем информационно-технической поддержки, могут найти практическое применение при проектировании и анализе систем массового обслуживания с изменяемой структурой, используемых на предприятиях в различных сферах деятельности.

Полученные в диссертации аналитические выражения для характеристик синтезированных алгоритмов и результаты статистического их моделирования позволяют обоснованно выбрать необходимые параметры алгоритма выявления аномальных ситуаций в процессе функционирования сложной системы с изменяемой структурой в соответствии с имеющейся априорной информацией относительно характеристик внешней и внутренней среды, а также с требованиями программной реализации.

Автоматизированная технология создания и применения имитационных моделей может быть использована при исследовании организационно-технических систем с изменяющейся структурой, для которых получено объектно-ориентированное описание процесса функционирования с использованием формализма карт состояний Харела.

В целом практическое значение полученных результатов определяется возможностью их применения для проведения исследований эффективности и оптимизации деятельности организационно-технических систем и подсистем сервисного обслуживания крупных организаций и предприятий.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты использованы в НПЦ «Модуль» (г. Москва), а также в учебном процессе Воронежского государственного университета при разработке математического и программного обеспечения для моделирования и анализа сложных информационно-управляющих систем.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на VIII, X Международных научно-технических конференциях «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж) в 2007, 2009 годах; на VI, VII, IX, X Международных конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж) в 2006, 2007, 2008 и 2010 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и определение направления исследований. Соискателем выполнены доказательства теорем, проведение рассуждений и вывод аналитических соотношений, необходимых для решения поставленных задач, организация экспериментов для обоснования алгоритмов, полученных теоретических путем, анализ и интерпретация полученных результатов, а таюке разработка технологии автоматизированного создания моделей для имитации работы сложных систем с переменной структурой. В работах, опубликованных совместно с другими соавторами, автором диссертации выполнено уточнение совокупности критериев выявления структурных противоречий для оценки уровня конфликтности организации, а также синтез и анализ структуры сложной системы ИТП по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания.

Личный вклад автора. Основные результаты по теме диссертации получены лично автором и опубликованы в соавторстве с научным руководителем. В совместных работах научному руководителю принадлежит постановка задачи и определение направления исследований. Соискателем выполнены доказательства теорем, проведение рассуждений и вывод аналитических соотношений, необходимых для решения поставленных задач, организация экспериментов для обоснования алгоритмов, полученных теоретических путем, анализ и интерпретация полученных результатов, а также разработка технологии автоматизированного создания моделей для имитации работы сложных систем с переменной структурой. В работах, опубликованных совместно с другими соавторами, автором диссертации выполнено уточнение совокупности критериев выявления структурных противоречий для оценки уровня конфликтности организации, а также синтез и анализ структуры сложной системы ИТП по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований. Объем диссертации составляет 181 страницы, включая 171 страниц основного текста и 10 страниц списка литературы.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Десятов, Андрей Дмитриевич

Выводы по главе 1!|ч

1. Проанализированы инструментальные средства для проведения моделирования сложных организационно-технических систем и выбрана интегрированная среда MATLAB+Simulink+Stateflow, в связи с возможностями по интеграции среды с компонентами, написанными при помощи современных языков программирования (Java, С++ и т.д.). Наличие подсистемы Simulink для i Ч1'Ч визуального программирования, имитации и анализа динамических систем делает MATLAB одним из самых мощных средств имитационного моделирования. В процессе анализа выявлена необходимость расширения возможностей инструментальной среды в области моделирования систем с переменной структурой, в связи с тем, что в практике создания имитационных моделей событийно-управляемых систем часто возникает задача исследования многоэлементных систем с адаптивно изменяющейся в процессе симуляции структурой.

2. Предложен и реализован механизм автоматизированного построения моделей многоэлементных систем1 в среде MATLAB+ Simulink+Stateflow, обеспечивающий исследование поведения систем с переменной структурой в динамике функционирования и основанный на использовании формализма гибридных автоматов — карт состояния Харела, а также средств Stateflow API. Предлагаемая технология апробирована на примере модели системы ИТП.

3. В интегрированной среде MATLAB+Simulink+Stateflow создана имитационная модель, соответствующая концептуальному и функциональному описанию системы ИТП, полученному в главе 1. При этом был найден механизм, основанный на использовании возможностей Stateflow API, позволяющий расширить базовую модель системы с одним уровнем поддержки и одним блоком обработки до модели, адекватно описывающей многоуровневую систему ИТП на предприятии.

4. На созданной имитационной модели системы проведены испытания и получены численные результаты для оценки эффективности алгоритмов адаптации структурного состояния системы ИТП. Так, при адаптации структуры трехуровневой системы ИТП с интенсивностью входящего потока заявок, составляющей 40 заявок в час (в переводе с машинного на реальное время), перемещение слабо загруженного блока обработки со второго уровня обслуживания на первый уровень, позволило достаточно быстро вернуть среднее время ожидания заявки в очереди к целевому значению — двадцати пяти минутам (реального времени). Для наблюдения за процессом функционирования системы и выявления аномалий в динамике работы системы ИТП были использованы алгоритмы обнаружения «разладки», полученные в главе 3. При этом процесс адаптации структурного состояния системы занял около шестидесяти минут (реального времени).

Заключение

В ходе выполнения диссертационной работы поставлены и решены следующие научные задачи:

-проведен анализ известных методов синтеза и адаптации структуры организационно-технических систем, использующих как параметрическую, так и структурную адаптацию, а также определено место процесса структурной адаптации в стандартном контуре управления;

- выполнено концептуальное и функциональное модельное описание системы информационно-технической поддержки на предприятии в целом, а также отдельных видов деятельности в процессе ее работы;

- сформулирован набор критериев, которым должны удовлетворять компоненты сложной системы, обеспечивающих ее функционирование без структурных противоречий, проведены теоретические исследования алгоритмов оптимизации структуры в плане минимизации времени взаимодействия системы информационно-технической поддержки с объектами обслуживания;

- исследованы вопросы оперативного диагностирования текущего состояния системы информационно-технической поддержки с использованием математического аппарата теории массового обслуживания и последовательных алгоритмов обнаружения «разладки», обеспечивающих минимальное время запаздывания обнаружения негативных тенденций (аномальных ситуаций) при заданном уровне вероятности ложной тревоги;

- исследованы возможности создания автоматизированной технологии построения объектно-ориентированных имитационных моделей систем в подсистеме Stateflow, расширяющей возможности интегрированной инструментальной среды MATLAB + Simulink + Stateflow для моделирования систем с переменной структурой в динамике функционирования.

В ходе проведенных исследований получены следующие основные результаты и выводы.

1. Осуществлена реализация объектно-ориентированного подхода к конструированию моделей исследования структурной динамикой сложных организационно-технических систем на основе множества моделей элементарных составляющих на примере многоуровневой системы информационно-технической поддержки на предприятии. Построенные объектно-ориентированные модели для описания работы систем информационно-технической поддержки в нотации UML реализуют основные виды деятельности базовых элементов исследуемого класса систем и объекта обслуживания с использованием диаграмм вариантов использования, диаграмм состояний, диаграмм деятельности и обеспечивают последующую разработку математического и программного обеспечения для исследования систем с изменяющейся в динамике функционирования структурой.

2. Сформулирован набор критериев, которым должна удовлетворять организационно-техническая система, и соответствие которым гарантирует принципиальную работоспособность системы информационно-технической поддержки в целом. Полученный набор критериев является инвариантным по отношению к классу организационно-технической системы. На основе введенных критериев обоснована алгоритмическая процедура логического анализа структурных противоречий, возникающих в процессе обоснования облика сложной системы, обеспечивающая проверку возможности отнесения рассматриваемого варианта построения системы к множеству строго допустимых.

3. Разработаны математическая модель и алгоритм, позволяющие проводить синтез структуры системы ИТП и ее оптимизацию по критерию минимизации времени взаимодействия с объектом обслуживания. Основная трудность при разработке этой модели состояла в том, что аргументом целевой функции, определяющей минимальное время реакции, является структурное описание самой системы. Указанная трудность преодолевается на основе математического представления процесса функционирования системы дискретной ситуационной сетью с последующим использованием метода поиска критического сечения на графе на основе модифицированной процедуры Форда-Фалкерсона. Показано, что преобразование графа, необходимого для построения фундаментальной системы сечений, в полном объеме должно использоваться только один раз, а при каждом последующем определении фундаментальной системы (вызванном, например, изменениями морфологии системы) оно заменяется более простыми операциями. Поскольку реализованные алгоритмы оптимизации структуры инвариантны к предметной области, то данная процедура обеспечивает поддержку процесса проектирования, эксплуатации и модернизации систем различного функционального назначения.

4. На основе проведенного анализа особенностей функционирования системы информационно-технической поддержки предложен методический аппарат и синтезированы алгоритмы обработки результатов наблюдения за состоянием процесса обработки заявок, основанные на реализации специальных процедур обнаружения «разладки» для диагностирования негативных изменений в динамике функционирования многоуровневой системы ИТП, представленной в виде многофазной системы массового обслуживания. Применительно к базовой функциональной модели системы ИТП проанализированы различные аномальные ситуации, возникающие при работе системы (работа отдельного блока обслуживания, работа уровня обслуживания, работа уровня обслуживания с предварительной классификацией поступающих инцидентов).

При проведении исследований алгоритмов выявления аномальных ситуаций в динамике функционирования системы ИТП использованы традиционные показатели качества обнаружения «разладки», такие как величина среднего времени запаздывания и вероятность ложной тревоги при подаче сообщения о «разладке». С использованием полученных зависимостей указанных показателей от скорости изменения параметров функционирования системы (как внешних, так и внутренних) может осуществляться выбор параметров алгоритма, обеспечивающих минимальное время запаздывания обнаружения «разладки» при заданном уровне вероятности ложной тревоги. При исследовании аномальных ситуаций, возникающих при работе элемента обслуживания системы ИТП, установлено, что, при относительном изменении интенсивности входящего потока на 5%, 25% или 50% от базового значения достигается уровень вероятности ложных тревог, равный 0.02 при среднем времени запаздывания 15 условных единиц. При исследовании функционирования уровня обслуживания осуществлялось наблюдение за средним временем нахождения инцидента в очереди. Полученные результаты позволяют фиксировать увеличение времени нахождения сервис-заявки в системе, связанное с уменьшением работоспособности блоков на уровне обслуживания на 10% и более. Установлено, что при простой диспетчеризации инцидентов менеджером уровня возможно настроить алгоритм обнаружения «разладки» как для «сильных» изменений параметров функционирования системы (изменение значения интенсивности входящего потока до 45%), так и для небольших отклонений (10-15%), с вероятностью ложной тревоги порядка 0,08. Получено, что при добавлении этапа предварительной классификации поступающих инцидентов менеджером уровня эффективность процесса управления инцидентами повышается лишь в том случае, если вероятность правильной классификации инцидента менеджером превышает 0.85.

6. Для исследования работы систем с переменной структурой в интегрированной инструментальной среде MATLAB+Simulink+Stateflow разработан механизм, основанный на использовании возможностей Stateflow API, обеспечивающий возможность перестройки структуры модели в процессе непрерывной симуляции. Реализация данного механизма определяется возможностями использования разработанных в первой главе объектно-ориентированных моделей базовых элементов системы ИТП в виде диаграмм состояний и их интерпретации в форме карт состояний Харела (гибридных автоматов). Предложенная автоматизированная технология создания и применения имитационных моделей может быть использована при исследовании организационно-технических систем с изменяющейся структурой, для которых получено объектно-ориентированное описание процесса функционирования и реализовано соответствующее программное обеспечение с использованием указанного формализма. Данная технология и разработанный на ее основе программный комплекс позволяет исследовать различные аспекты поведения моделируемой системы, включая переходные процессы при добавлении/удалении элементов, а именно: изменение показателей качества при изменении структуры; динамику перехода системы в стабильный режим работы; загрузку блоков обработки при пиковой рабочей нагрузке.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Десятов, Андрей Дмитриевич, 2010 год

1. Андерсон Т. Статистический анализ временных рядов. М.: Мир, 1976.755 с.

2. Актуальные вопросы автоматизированной обработки и анализа информационных процессов: Учеб. пособие / Ю.П. Рышков, М.Ю. Охтилев, СЕ. Богомолов, А.Ю. Шевченко, В.В. Длужневский, В.В. Петроченков. М., 1992. 140 с.

3. Алехин 3. ITIL основа концепции управления ИТ-службами // «Открытые системы», 2001, № 3, с. 33-35.

4. Алехин 3. Service Desk цели, возможности, реализации // «Открытые системы». 2001, № 5-6

5. Александровский Н.М. и др. Адаптивные системы автоматического управления сложными технологическими процессами. Под общей ред. Александровского Н.М. М.: Энергия, 1973. 272 с. с ил.

6. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Интеллектуальные информационные системы: Учебник. М.: Финансы и статистика, 2004. 424 с: ил.

7. Анисимов В.В. Стохастические сети обслуживания. Марковские модели // Киев: Лиащь. 1992.

8. Асельдеров З.М. Представление графов и операции над ними. Киев: ИК. 1987. 14 с.

9. Балашов Е.П. Эволюционный синтез систем. М.: Радио и связь, 1985. 328с: ил.

10. Бенькович Е.С. Практическое моделирование динамических систем / Е.С. Бенькович, Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. СПб.: БХВ — Петербург, 2002. - 464 с.

11. Брайсон А., Хо-Ю-Ши. Прикладная теория оптимального управления. М.: Наука, 1972.

12. Брус П. Метрики для управления ИТ-услугами / Питер Брукс. Пер. с англ. М. Альпина Бизнес Букс, 2008. 283 с.

13. Букатова И.Л. Эволюционное моделирование и его приложения. М.:1731. Наука, 1979.

14. Бурков В.Н., Кондратьев В.В. Механизмы функционирования организационных систем. М.: Наука, 1981. 383 с.

15. Буч Г. Язык UML Руководство пользователя / Г. Буч, Д. Рамбо, А. Джекобсон. СПб.: Питер, 2004. 430 с.

16. Вальд А. Последовательный анализ. М.: Физматгиз, 1960. 328 с.

17. Вагин В.Н., Еремеев А.П. Некоторые базовые принципы построения интеллектуальных систем поддержки принятия решений реального времени II Изв. РАН. Теория и системы управления. 2001. № 6. С. 114-123.

18. Васильев С.Н. От классических задач регулирования к интеллектному управлению // Изв. РАН. Теория и системы управления, 2001, № 1,2.

19. Введение в ИТ сервис-менеджмент / Под ред. Потоцкого М.Ю. М., 2003. 228 с.

20. Вентцель Е. С. Задачи и упражнения по теории вероятностей: Учеб. Пособие для студ. втузов / Е. С. Вентцель, JI. А. Овчаров. — 5-е изд., испр. —М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 448 с

21. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.

22. Вентцель Е. С., Овчаров JI. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. — М.: Издательский центр «Академия», 2003.

23. Вирт Н. Алгоритмы + структуры данных = программы / Пер. с англ. Л.Ю. Иоффе; Под ред. Д.Б. Подшивалова. М.: Мир, 1985. 406 с.

24. Гаврилов А.В. Гибридные интеллектуальные системы. Новосибирск: НГТУ, 2003. 164 с.

25. Гилл А. Введение в теорию конечных автоматов /Пер. с англ. А.Т. Дауровой и др.; Под ред. П.П. Пархоменко. М.: Наука, 1966. 272 с.

26. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. Изд. 4-е, испр. М.: Издательство ЛКИ, 2007. 400 с.

27. Гнеденко Б.В. и др. Приоритетные системы обслуживания. М.: Изд-во МГУ, 1973.447 с.

28. Горелик A.JI., Скрипкин В.А. Методы распознавания: Учеб. пособие для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1989. 232 с.

29. Городецкий В.И. Многоагентные системы: современное состояние исследований и перспективы применения // Новости искусств, интеллекта. 1996. № 4. С. 44-59.

30. Гультяев А.К. MATLAB 5.2. Имитационное моделирование в среде Windows: Практ. пособие. СПб: КОРОНА принт. 1999. 288 е.: ил.

31. Гультяев А.К. Визуальное моделирование в среде MATLAB. СПб.: Питер. 2000. 430 е.: ил.

32. Десятов А.Д., Сирота А.А. Имитационное моделирование систем с адаптивной структурой на основе технологий автоматизированного создания моделей в среде MatLab + Simulink + Stateflow / Журнал «Информационные технологии», №3 (2008). М., 2008.- С. 59 66.

33. Джапаридзе К.О. Асимптотически эффективное оценивание параметров спектра гауссовского временного ряда. Тбилиси: Изд-во Тбил. ун-та, 1977. 120 с.

34. Добановский С.А., Озерянный Н.А. Системы автоматического управления с реконфигурацией // Измерение, контроль, автоматизация. 1990. № 4(76). С. 62-80.

35. Дорф Р. Современные системы управления / Р. Дорф, Р. Бишоп. Пер. с англ. Б.И. Копылова. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2002. 832 с.

36. Дробот Ю.Б. Моделирование динамических систем в пакете Simulink Matlab: Учеб.пособие: 4.1. Хабаровск. 2000. 92 е.: ил.

37. Дубова Н. ITSM — новая идеология управления ИТ // «Открытые системы», 2000, №10, с. 37-42.

38. Дубова Н. На пути к управлению ИТ-услугами // «Открытые системы», 2000, №7-8, с. 49-57.

39. Дьяконов В.П. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем. Специальный справочник / В.П. Дьяконов, В.В. Круглов. СПб.: Питер, 2002. 444 с.

40. Дьяконов В.П. Математические пакеты расширения MATLAB: Спец. Справочник. СПб.: ПИТЕР. 2001. - 475 е.: ил.

41. Евстигнеев В.А. Толковый словарь по теории графов в информатике и программировании. Под ред.Л.С.Мельникова. Новосибирск: Наука. - 1999. - 288 е.: ил.

42. Евгеньев Г.Б. Модели вместо алгоритмов. Смена парадигмы разработки прикладных систем //Информационные технологии. 1999, № 3. С. 38-44.

43. Емельянов С.В. Системы автоматического управления с переменной структурой. М.: Наука, 1967. 336 с.

44. Жиглявский А.А., Красковский А.Е. Обнаружение разладки случайных процессов в задачах радиотехники. JL: Издательство ленинградского университета. 1988. 224 с.

45. Заде JI.A. Теория линейных систем. Метод пространства состояний. М.: Наука, 1970.

46. Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: основные понятия и определения // Изв. РАН. Теория и системы управления. 1997. № 3. С. 138-145.

47. Земляков С.Д., Рутковский В.Ю., Силаев А.В. Реконфигурация систем управления летательными аппаратами при отказах // Автоматика и телемеханика. 1996. № 2. С.3-20.

48. Иванов В.А., Фалдин Н.В. Теория оптимальных систем автоматического управления. М.: Наука, 1981.

49. Имитационное моделирование производственных систем / А.А. Вавилов, Д.Х. Имаев, В.И. Плескунин и др. М.: Машиностроение; Берлин: Техник, 1983.

50. Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред. И.М. Макарова, В.М. Лохина. М.: Физматлит, 2001. 576 с.

51. Калянов Г.Н. CASE-технологии. Консалтинг при автоматизации бизнес-процессов. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Горячая линия. Телеком, 2000.

52. Колесников А.В. Гибридные интеллектуальные системы: теория и технология разработки / Под. ред. A.M. Яшина. СПб.: СПбГТУ, 2001. 711 с.

53. Колесников Д. Н. Введение в MATLAB с примерами решения задач оптимизации и моделирования: Учеб. пособие. Д. Н. Колесников, Е. В. Душутина, В. И. Пахомова;С.-Петерб. гос. техн. ун-т. СПб.: СПбГТУ. 1995. 113 е.: ил.

54. Кристофидес Н. Теория графов: алгоритмический подход / Пер. с англ. — М.: Мир, 1978.-432 с.

55. Кузнецова B.JL, Раков М.А. Самоорганизация в технических системах. Киев: Наук, думка, 1987. 200 с.

56. Кушнир А.Ф., Пинский А.И. Асимптотические оптимальные критерии для проверки гипотез при зависимой выборке наблюдений. — Теория вероятностей и ее применения, 1971, 16, вып. 3, с. 280-291.

57. Лазарев Ю.Н. Моделирование процессов и систем в MATLAB. Учебный курс/ Ю.Н. Лазарев. СПб.: БХВ (Петербург, Киев), 2005. 512 с.

58. Ларичев О.И. Теория и методы принятия решений. М.: Логос, 2000.

59. Ли Э.Б., Маркус Л. Основы теории оптимального управления. М.: Наука, 1972.

60. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ / И.В.Максимей. М.: Радио и связь, 1988. 232 с.

61. Математический энциклопедический словарь /Гл. ред. Ю.В. Прохоров; Ред. кол.: СИ. Адян, Н.С Бахвалов, В.И. Битюцков, А.П. Ершов, Л.Д. Кудрявцева, А.Л. Онищик, А.П. Юшкевич. М.: Сов. энциклопедия, 1988. 847 с.

62. Математические основы управления проектами: Учебное пособие / Под ред. В.Н. Буркова. М.: Высшая школа, 2005, 423 с.

63. Международные стандарты ИСО серия 9000 и 10000 на системы качества: версии 1994 г. М.: Изд-во стандартов, 1995.

64. Методы анализа и синтеза структур управляющих систем / Б.Г. Волик, Б.Б. Буянов, Н.В. Лубков и др.; Под. ред. Б.Г. Волика. М.: Энерго-атомиздат, 1988.296 с: ил.

65. Минитаева A.M. Решение задач анализа и синтеза систем управления с помощью MATLAB , расширения SIMULINK: Учеб. пособие. Федорова Л. Д., Щербаков B.C. Омск: Изд-во ОмГТУ. 2003. 59 е.: ил.

66. Митрофанов Ю.И. Анализ и оптимизация сетей массового обслуживания: Програм. обеспечение Под ред. Ю.И.Митрофанова. Саратов: "Колледж". 1995. 144 с.

67. Митрофанов Ю.И. Синтез сетей массового обслуживания. Саратов: Изд-во Саратов.ун-та. 1995. 162 с.

68. Нарендра К.С., Валавани Л.С. Устойчивые адаптивные наблюдения и управления: Пер. с англ. // ТИИЭР. 1976.

69. Нариръяни А.С. Модель или алгоритм: новая парадигма информационной технологии//Информационные технологии. 1997. №4. С. 11-16.

70. Никифоров И.В. Последовательное обнаружение изменения свойств временных рядов / И.В. Никифоров М.: Наука, 1984.

71. Новосельцев В.И., Десятов А.Д., Швей В.И., Шумилкин В.Н. Экспертная оценка уровня конфликтности организации / Вестник ВГТУ, №3 — Воронеж, 2009. -Т.5.- С. 92 95.

72. Новые методы управления сложными системами. / отв. ред. В.М. Лохин. ; Отд-ние информац. технологий и вычисл. систем.— М.: Наука, 2004. 333 с.

73. Овчаров Л.А. Прикладные задачи теории массового обслуживания. — М.: Машиностроение, 1969.

74. Орел Е.Н. Основы теории интеллектуальных систем. Поиск пути на графе (классические алгоритмы): Учеб.пособие. М. 1998. 47 с.

75. Острейковский В.А. Теория систем / В.А. Острейковский. М.: Высшая школа, 1997. 240 с.

76. Охтилев М.Ю. Интеллектуальные технологии мониторинга и управления структурной динамикой сложных технических объектов / М.Ю. Охтилев, Б.В. Соколов, P.M. Юсупов. -М.: Наука, 2006. 410 с.

77. Охтилев М.Ю. Основы теории автоматизированного анализа измерительной информации в реальном времени. Синтез системы анализа. СПб.: ВИКУ им. А.Ф. Можайского, 1999. 161 с.

78. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.: Фазис, 2000. С.112-119.

79. Пархоменко П.П., Согомонян Е.С. Основы технической диагностики. М.: Энергия, 1981.

80. Перегуда А.И. Учебное пособие по курсу Моделирование систем, Графы и моделирование систем. Обнин. ин-т атом, энергетики, Фак. кибернетики. Обнинск. 1987. 72 е.: ил.

81. Плакс Б.И. Имитационное моделирование систем массового обслуживания: Учеб. пособие. СПб. 1995. 65 е.: ил.

82. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика М.: Наука, 1986. 288 с.

83. Потемкин В.Г. Инструментальные средства MATLAB 5.x. М.: Диалог-МИФИ. 2000. 332 с.

84. Потемкин В.Г. Система MATLAB: Справ.пособие. М.: Диалог-МИФИ. 1998. 350 е.: ил.

85. Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Тр. IV Междунар. конф. /Под ред. В.П. Мясникова, А.А. Кузнецова, В.А. Виттиха. Самара: Самар. науч. центр РАН, 2002.

86. Растригин JI.A. Адаптация сложных систем. Рига: Зинатне, 1981.

87. Растригин JI.A. Современные принципы управления сложными объектами. М.: Сов. радио, 1980.

88. Редькин И. П. Дискретная математика: Курс лекций для студентов-механиков. СПб.: Издательство «Лань», 2003. —96 е.: ил.

89. Роббинс Г., Сидмунд Д., Чао И. Теория оптимальных правил остановки. Пер. с англ. М.: Наука, 1977. 108 с.

90. Романцев В.В. Аналитические модели систем массового обслуживания: Учеб. пособие. СПб. 1998. 66 е.: ил.

91. Романцев В.В. Моделирование систем массового обслуживания: Учеб. пособие. Яковлев С.А. СПб. 1995. 86 е.: ил.

92. Ругас Дж. Континуальность вероятностных мер. М.: Мир, 1975. 254 с.

93. Сирота А.А. Компьютерное моделирование и оценка эффективности сложных систем. М., «Техносфера», 2006. 280 с.

94. Сирота А.А. Основы теории управления в простых и сложных системах / А.А. Сирота. Воронеж: изд. ВГУ, 2005. 182 с.

95. Советов Б.Я. Моделирование систем / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. -М.: Высшая школа, 2001. 275 с.

96. Соколов Б.В., Юсупов P.M. Концептуальные основы оценивания и анализа качества моделей и полимодельных комплексов. // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2004. № 6. С. 5-16.

97. Тарасов В.Б. От многоагентных систем к интеллектуальным организациям: философия, психология, информатика. М.: Эдиториал УРСС, 2002. 352 с.

98. Фадин А.Г. Имитационное моделирование систем массового обслуживания / А.Г. Фадин. Воронеж: ВИРЭ, 1996. 232 с.

99. Флеминг У, Ришел Р. Оптимальное управление детерминированными и стохастическими системами. М.: Мир, 1978.

100. Фомин В.Н.,Фрадков A.JL, Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. М., 1981. 448 с.

101. Хинчин А. Я. Работы по математической теории массового обслуживания. М.: Физматгиз, 1963. 236 с.

102. Цвиркун А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем. М.: Наука,1982.

103. Цвиркун А.Д., Акинфиев В.И. Структура многоуровневых и крупномасштабных систем: (Синтез и планирование развития). М.: Наука, 1993.

104. Цыпкин ЯЗ. Адаптация и обучение в автоматических системах. М.: Наука, 1969.

105. Черемных С.В. Моделирование и анализ систем. IDEF-технологии: практикум / С.В. Черемных, И.О. Семенов, B.C. Ручкин. М.: Финансы и статистика, 2002. 192 с.

106. Черняк JI.T. От адаптивной инфраструктуры к адаптивному предприятию // Открытые системы, 2003. № 10. С. 32-39.

107. Черняк JI.T. Адаптируемость и адаптивность // Там же. 2004. № 9. С.30.35.

108. Шевченко Н.Ю. Моделирование систем массового обслуживания: Учеб. пособие. Томск. 1998. 75с.: ил.

109. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. М.: Радио и связь,1982.

110. Щербаков B.C. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде MATLAB и SIMULINK: Учеб. пособие. Руппель А.А., Глущец В.А. Омск: Изд-во СибАДИ. 2003. 160 с.

111. Эталонная модель HP по управлению информационными услугами. // Jet Info, 2001, № 12.

112. Юсупов P.M. и др. Статистические методы обработки результатов наблюдений: Учебник для вузов /Под ред. P.M. Юсупова; Г.Б. Петухов, В.Н. Сидоров, В.И. Городецкий, В.М. Марков. М., 1984. 563 с.

113. ССТА. Best Practice for Service Support. London: The Stationery Office, 2000. 306 c.