Исследование и разработка методов реструктуризации систем управления сложными объектами

Представленная диссертационная работа посвящена развитию подходов и методов структурных преобразований сложных систем управления, а также разработке и применению имитационно-аналитических моделей реструктуризации функционирования транспортных, экономических и других систем управления.

Актуальность проблемы. С введением и дальнейшим развитием рыночных отношений в стране повышается роль и значение планирования и анализа работы предприятий народного хозяйства на основе создания автоматизированных систем управления (АСУ).

Эффективность производства в значительной степени зависит от качественной работы реконструируемых систем. Повышению качества руководства системами управления сложными объектами и технологическими процессами способствует широкое внедрение вычислительной техники, использование экономико-математических моделей, являющихся важным средством совершенствования систем управления.

Создание АСУ началось в нашей стране еще в 60-х годах. Однако, наибольшее развитие и широкомасштабное внедрение в народное хозяйство страны системы управления различными предприятиями получили лишь в период 70−80 г. г. В настоящее время успешно функционируют и создаются различные системы автоматизированного управления. Наибольшее развитие в различных отраслях промышленности получили автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП) и автоматизированные системы iуправления технологическими процессами (АСУТП). В научно-исследовательских и проектных организациях широкое использование получила система автоматизированного проектирования (САПР), что позволило значительно повысить точность и эффективность проектирования различных видов продукции [104].

Для обработки статистических и справочно-аналитических данных о развитии народного хозяйства страны используется автоматизированная система государственной статистики (АСГС). Сбор, накопление и обновление норм и нормативов осуществляет комплексная автоматизированная система норм (КАСН). С конца 80-х г. г. под руководством Государственного комитета по науке и технике осуществлялась работа по созданию АСУ научно-техническим прогрессом (АСУ НТП). Кроме указанных систем существует еще целый ряд успешно функционирующих АСУ: автоматизированная система финансовых расчетов (АСФР), система планирования и управления здравоохранением и другие.

В данной работе предлагается создать автоматизированную систему управления реструктуризацией сложных объектов (АСУР), назначение которой состоит в заполнении ниши между САПР и АСУТП. Расширяя и дополняя указанные системы, АСУР обеспечивает комплексное решение проблем, связанных с процессом оптимизации функционирования систем управления организационными системами, предприятиями, технологическими процессами в условиях изменяющейся экономики страны.

Несмотря на различие выполняемых функций и условий работы управляемых объектов исследования, все они обладают одним общим свойством — сложностью. Это свойство можно хорошо проиллюстрировать на примере системы железнодорожного транспорта.

Изменение условий функционирования железнодорожного транспорта (переход на рыночные отношения хозяйствования), трансформация топологии сети (отделение республик бывшего Советского Союза), изменение структуры производства требуют разработки системы анализа и принятия рационального решения об организации работы исследуемой транспортной сети.

Кроме того, с введением жесткого регулирования финансов отрасли со сторрны государства, назрела необходимость повышения конкурентоспособности, широкого внедрения в управление эксплуатационной работой и экономического анализа информационных технологий, введения новых форм взаимоотношений между предприятиями, совершенствования структуры управления отраслью.

Структурные преобразования на железнодорожном транспорте представляют собой сложную проблему, требующую серьезных технико-экономических обоснований, планирования экспериментов и этапности внедрения. При их реализации недопустимо ухудшение финансово-экономического положения в отрасли и в экономике страны. Реструктуризацию отрасли необходимо проводить в условиях максимального учета интересов потребителей, местных административных органов и требований самой транспортной системы, направленных на совершенствование организации и управления грузовыми и пассажирскими перевозками.

Основные направления развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года" определяют ключевые критерии оптимизации структуры сети железных дорог:

— максимальное сосредоточение на полигоне укрупненной железной дороги законченной транспортной продукции — завершенной перевозки от погрузки груза до его выгрузки (65−80%);

— сближение себестоимости перевозок на укрупненных железных дорогах;

— максимальное наличие железных дорог с параллельными ходами (направлениями) для организации внутриотраслевой конкуренции для транзитных перевозок.

Ориентация критериев системы организации вагонопотоков должна быть направлена на снижение расходов железных дорог на продвижение поездов по участкам, подвод порожних вагонов в пункты погрузки, переработку, простои на станциях и на повышение доходов отрасли.

В данной ситуации необходим механизм реструктуризации, учитывающий все возможные критерии функционирования как системы в целом, так и отдельных ее элементов, взаимосвязи между ними.

Теоретические и практические предпосылки создания такого механизма реструктуризации составили фундаментальные и прикладные исследования, проведенные в работах Г. С. Поспелова, А. В. Шилейко, Б. Г. Литвака, Р.

Шторм, В. И. Левина, А. Н. Тихонова, В. О. Рукавишникова, И. Б. Сотникова, И. И. Елисеевой, Л. Заде, А. Н. Мелихова, Л. С. Берштейна, Р. Ягера, Г. Потгоффа и др.

В области оптимизации управляющих устройств в условиях неопределенности следует отметить работы Г. В. Гореловой, Е. М. Ульяницкого, В. В. Здора. Развитие методов самоорганизации осуществлялось Ф. Розенблаттом, Д. Табором, А. Фогелем, А. Г. Ивахненко. Применительно к объектам железнодорожного транспорта процедуры самоорганизации получили дальнейшее развитие в работах В. Н. Иванченко, Н. Н. Лябаха, А. Н. Гуды и др.

Таким образом, применение экономико-математических методов оптимизации позволяет определять на научной основе наилучшие условия перевозок пассажиров и грузов, наиболее выгодные условия использования капиталовложений с максимальной отдачей, наилучшее комплексное использование технических средств транспорта. Вместе с тем указанные методы имеют и большое теоретическое значение раскрывая многие неизвестные ранее закономерности, связанные с развитием сети железных дорог и рациональной её реструктуризацией.

Изменение структуры взаимодействия элементов железнодорожного транспорта и транспортных потоков связано с большими временными, финансовыми затратами, трудозатратами и не допускает ошибок в моделировании. В этой связи рассматриваемые задачи являются актуальными.

В настоящее время реконструкция сети уже идет полным ходом: убираются изжившие себя промежуточные звенья — отделения дороги, строятся обходные пути, укрупняются железнодорожные станции. Однако, все эти преобразования осуществляются на основе интуиции, а не точного расчета. Достаточного математического аппарата для оценки существующего положения и прогнозирования возможных состояний — нет.

В диссертации предлагается и разрабатывается ряд процедур, позволяющих расширить представление об АСУ и обеспечить ее создание.

Разрабатываемые подходы и методы являются универсальными и могут быть применены при создании систем управления в других отраслях народного хозяйства. Так, в п. 4. 1 описана возможность их применения для реструктуризации системы управления расформированием-формированием составов на сортировочных станциях, а в п. 4. 2 — при разработке системы управления городским транспортом.

Цель и задачи работы. Целью данной диссертационной работы является разработка математического аппарата, позволяющего на основе уже существующих методов и методик провести эффективный анализ технических и других сложных систем управления деятельностью предприятий и получить наиболее рациональные схемы их реструктуризации. В работе также предлагается использовать (и разрабатываются) методы имитационного моделирования, поскольку, в силу сложности исследуемых объектов, только аналитический подход к решению указанных проблем невозможен. Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:

— формирование экспертных комиссий, адекватно формулирующих цели создания АСУ;

— определение совокупности критериев функционирования системы;

— формализованное описание критериев (преобразование к виду, удобному для практического использования);

— согласование критериев с учетом их противоречивости и альтернативности;

— разработка комплексной (имитационно-аналитической) — модели функционирования объекта (станция, дорога, городская транспортная система), как системы массового обслуживания;

— разработка методов структурного преобразования систем обслуживания и их элементов;

— разработка методов статистической обработки данных (расчета законов распределения случайных величин и их числовых характеристик);

— решение ряда практических задач с помощью разработанных методов и подходов.

Разработанные имитационные модели, обеспечивают проверку теоретических выводов и предложений диссертационной работы. На основе имитационной модели анализируется характер выполнения критериев, и делаются соответствующие выводы о возможной реструктуризации объекта исследования. Здесь осуществляется проверка: а) алгоритма функционирования исследуемой структурыб) адекватности математического моделирования.

Методы исследования основываются на применении теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания (ТМО), теории нечетких множеств, методов экспертных оценок, методов многокритериальной оптимизации. Кроме аналитических подходов проводились численные эксперименты на ЭВМ, апробация на системах управления железнодорожного транспорта и других объектах.

Научная новизна. Основным научным результатом диссертационной работы является разработка методологии анализа функционирования и реструктуризации систем управления сложными объектами или технологическими процессами, которая включает следующие аспекты:

— алгоритм формирования экспертных комиссий;

— процедура согласования критериев функционирования сложных систем и унификации способа их заданияf•.

— унификация задачи выделения области допустимых решений 1>-путем сведения задания этой области с помощью границы к представлению с помощью совокупности точек;

— алгоритм определения точки, соответствующей оптимальной структуре системы внутри области Д заданной с помощью совокупности точек;

— процедура выбора критерия для оценки качества параметров при определении закона распределения с помощью гистограммы;

— алгоритм приближенной оценки законов распределения через значения их числовых характеристик для тех случаев, когда не удается осуществить адекватное построение законов с помощью гистограмм;

— развитие алгебры структурных преобразований системы;

— процедура выбора оптимального варианта структуры системы по дополнительному внешнему критерию с учетом совокупности технологических критериев путем организации имитационного эксперимента.

Достоверность полученных результатов исследования подтверждается имитационным моделированием, апробацией на научных семинарах и конференциях, результатами внедрения научных исследований и рядом публикаций.

Практическая ценность. Разработанные методы и подходы позволяют осуществить управление и реструктуризацию сложных систем и могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства.

В частности, предложенные в диссертации подходы и методы позволили:

— разработать методику реструктуризации системы управления расформированием-формированием составов на станции;

— разработать алгоритм реструктуризации системы городского транспорта.

Результаты научных исследований также используются в учебном 1процессе.

Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные положения данной диссертационной работы докладывались на третьей межвузовской научно-методической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г. Москва, РГОТУПС, 1998 г.) — на международной научно-практической конференции «Строительство — 98» (г. Ростов-на-Дону, РГСУ, 1998 г.) — на 57-й научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и подготовки специалистов» (г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998 г.) — на отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г. Ростов-на-Дону, РГУПС, 1998 г.).

Публикации. По результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и приложений. Объем диссертационной работы — 167 страниц, основного текста — 134 страницы. Кроме того, диссертация содержит 34 рисунка, 16 таблиц, а также 31 страницу приложений.

Список литературы

содержит 115 наименований библиографических источников.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Определены роль, место и функции АСУ Р.

2. Разработан алгоритм формирования экспертной комиссии АСУ, учитывающий:

— степень компетентности каждого из претендентов в экспертную комиссию, что что обеспечивает уменьшение субъективности при расчете коэффициентов компетентности;

— взаимное влияние критериев функционирования систем и качественных характеристик компетентности экспертов.

3. Предложены и обоснованы:

— алгоритм унификации способа задания критериев функционирования сложной системы, осуществляемый путем перехода от аналитической зависимости к совокупности точек в объединенном многомерном пространстве;

— методика их согласования, опирающаяся на введение внешнего критерия, отражающего суть реструктуризации.

4. Уточнены определения оптимальной структуры и развиты процедуры их реализации.

5. Усовершенствованы алгоритмы определения законов распределения случайных величин: а) учитывающие нестационарность исходных данныхб) на основе сравнения зависимостей их числовых характеристик.

6. Разработаны программы имитационного моделирования, обеспечивающие функционирование АСУР и проверку теоретических выводов и предложений диссертации.

7. Решены практические задачи.

Результаты диссертации использованы и приняты к внедрению в следующем:

— на железнодорожном транспорте (РФ ВНИИАС МПС) — при усовершенствовании функционирования системы расформирования-формирования составов на сортировочной станции;

— в управлении городским транспортом — при разработке математической модели оптимальной структуры системы городского транспорта г. Ростова-на-Донув учебном процессе (МГТИ) — использование процедур реструктуризации сложных объектов в курсе «Исследование систем управления», методики согласования противоречивых критериев в курсе «Экономико-математические методы», процедуры организации экспертного опроса в курсе «Разработка управленческих решений» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Актуальность проблем, рассматриваемых в диссертации, определяется необходимостью разработки подходов и методов реструктуризации систем управления сложными объектами, характеризуемых нестационарностью функционирования системы и неоднородностью работы их элементов, зашумленностью исходных данных и неопределенностью (как внутренней, так и внешней), многокритериальностью и плохим формализованным описанием функционирования, многомерностью и открытостью систем, многообразием и нелинейностью связей между их элементами.

Принятое определение сложных объектов относится к широкому классу различных структур народного хозяйства. В качестве примеров сложных систем в данной работе рассмотрены: объект железнодорожного транспортасортировочная станция, определяющий основные характеристики перевозочного процесса, а также один из напряженных участков транспортной системы г. Ростова-на-Дону — участок «Лермонтовская — Горького» по пр. Ворошиловский, включающий в себя перекресток «КрасноармейскаяВорошиловский» .

Рассмотренные объекты являются типичными, поэтому разработанные методы и подходы обладают универсальностью.

Вопросы, нашедшие свое отражение в диссертации:

— формирование системы критериев функционирования сложных объектовf'.

— разработка процедуры организации экспертных комиссий;

— развитие методов согласования критериев;

— определение оптимальной структуры системы;

— элементы структурных преобразований сложных систем;

— проблемы анализа экспериментальных данных;

— моделирование функционирования сложной системы.