Модельно-орієнтоване управління інтелектуальними виробничими системами

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕМАТИЧНИХ МАШИН І СИСТЕМ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МОДЕЛЬНО-ОРІЄНТОВАНЕ УПРАВЛІННЯ

ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИМИ ВИРОБНИЧИМИ СИСТЕМАМИ

Казимир Володимир Вікторович

05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні

інформаційні технології

Київ - 2006

Анотація

Казимир В.В. Модельно-орієнтоване управління інтелектуальними виробничими системами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, Київ, 2005.

Дисертація присвячена розробці теорії і практики модельно-орієнтованого підходу до управління інтелектуальними виробничими системами, який полягає у широкому використанні комп'ютерних моделей в процесі прийняття управлінських рішень на принципах ситуаційного, адаптивного й багатоагентного управління. Розроблено теорію керуючих Е-мереж та на її основі запропоновано метод специфікації алгоритмів управління за допомогою агрегативних моделей реалізації. Розроблено інтервальну логіку дерева обчислень, покладену в основу запропонованого методу оцінки динамічних властивостей процесу управління за допомогою моделей прогнозування, що враховують гібридний характер функціонування об'єкта управління. Вдосконалено ряд теоретичних методів, що вирішують задачі побудови віртуальної реальності та розпізнавання зображень за допомогою моделей відновлення. Розроблено цілий ряд алгоритмів та технологій, реалізованих у програмних засобах, що забезпечують побудову та використання запропонованих моделей безпосередньо в контурі управління. Отримані результати впроваджені при створенні комп'ютерних систем управління для ряду установок електронно-променевого зварювання нового покоління КЛ115, КЛ117 і КЛ118, які з успіхом експлуатуються на підприємствах аерокосмічної та металургійної галузей в Україні та США і відрізняються унікальними технологічними можливостями й високими виробничими показниками.

Ключові слова: інтелектуальні виробничі системи, модельно-орієнтоване управління, Е-мережі, темпоральна логіка, розпізнавання зображень, віртуальна реальність.

Аннотация

Казимир В.В. Модельно-ориентированное управление интеллектуальными производственными системами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Институт проблем математических машин и систем НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертация посвящена разработке теории и практики модельно-ориентированного подхода к управлению интеллектуальными производственными системами, который заключается в широком использовании компьютерных моделей в процессе принятия управленческих решений на принципах ситуационного, адаптивного и многоагентного управления.

Разработана концепция модельно-ориентированного управления интеллектуальными производственными системами, основанная на использовании компьютерных моделей трех видов: моделей реализации, моделей прогнозирования и моделей восстановления, встраиваемых непосредственно в контур управления и работающих в реальном времени. Разработана теория управляющих Е-сетей и на ее основе метод спецификации алгоритмов управления с помощью агрегативных моделей реализации, осуществляющих ситуационное управление процессом. Исследованы возможности управляющих Е-сетей как средства описания динамики кусочно-линейных агрегатов путем моделирования кусочно-линейного марковского процесса.

Построена темпоральная модель управляющих Е-сетей, и обоснованы условия их детерминированного выполнения, которые реализованы с помощью алгоритма динамической синхронизации. Разработаны синтаксис и семантика новой разновидности темпоральных логик - интервальной логики деревьев вычислений (Duration Computation Tree Logic -DCTL), которая позволяет специфицировать динамические свойства алгоритмов управления с учетом продолжительности контролируемых временных интервалов. На основе DCTL разработано формальное определение моделей прогнозирования, которые учитывают гибридный характер функционирования объекта управления. Предложен механизм и алгоритм динамической верификации формул логики DCTL на управляющих Е-сетях.

Обоснован, получил дальнейшее развитие и доведен до уровня практического применения метод управления с помощью встроенных компьютерных моделей восстановления, включающих в своем составе модели отображения виртуальной реальности и модели распознавания изображений. Разработана методика построения и использования в контуре управления моделей восстановления, обеспечивающих отображение трехмерного представления объекта управления и его окружения с учетом динамики изменения их состояний. Разработан комплекс моделей и алгоритмов распознавания изображений, которые основаны на предложенных в диссертации методе анизотропной фильтрации, учитывающем структуру изображения, методе контрастирования, использующем динамически создаваемые шаблоны, и методе сегментации путем наращивания с одновременным применением цифровой морфологии.

Разработан ряд алгоритмов и технологий, которые реализованы в программных средствах, обеспечивающих построение и использование предложенных моделей непосредственно в контуре управления, включая портирование среды исполнения моделей на микропроцессорную платформу. Разработаны многоуровневый язык спецификаций, методика проектирования агрегативных моделей реализации и моделей прогнозирования, построенных на основе управляющих Е-сетей и логике DCTL. Разработаны архитектура, структуры данных, алгоритмы и методика применения Internet-ориентированных систем управления проектами и поддержки управления качеством, которые основаны на использовании встроенных моделей реализации и прогнозирования. Предложены метод проектирования Internet-ориентированных информационно-управляющих систем, поддерживающий использование шаблонов документов, и схема описания управляющих Е-сетей на языке XML, расширяющая стандарт PNML. Разработан комплекс базовых моделей процессов управления качеством производственным процессом, поддерживающих полный жизненный цикл продукции в рамках международных стандартов ISO 9001. Выполнена экспериментальная проверка производительности разработанных систем, которая показала их устойчивость к нагрузке.

Эффективность полученных результатов подтверждена практическим внедрением разработанных методов и технологий модельно-ориентированного управления в компьютерных системах управления установками электронно-лучевой сварки нового поколения КЛ115, КЛ117 и КЛ118, которые в настоящее время с успехом эксплуатируются на предприятиях аэрокосмической и металлургической областей в Украине и США, демонстрируя уникальные технологические возможности и высокие производственные показатели.

Ключевые слова: интеллектуальные производственные системы, модельно-ориентированное управление, Е-сети, темпоральная логика, виртуальная реальность, распознавание изображений.

Abstract

Kazymyr V.V. Model-Oriented Control of Intelligent Manufacturing Systems. - Manuscript.

Thesis for a doctor degree of technical science on speciality 05.13.06 - Automated control systems and progressive information technologies. - The Institute of Mathematical Machines and Systems Problems, National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, 2005.

The dissertation is devoted to development of theory and practice of model-oriented approach to intelligent manufacturing systems control which consist in using computer modeling in process of control decision making based on situation, adaptive and multiagent control principles. Control E-nets theory and method of control algorithms specification with aggregate realization models are developed. Duration Computation Tree Logic theory and method of evaluation of dynamic control process's properties by means of predictive models that take into account hybrid character of control object are proposed. The set of theoretical methods that solve tasks of virtual reality building and image recognition using restoring models is improved. The set of algorithms and technologies realized in program systems that provide building and using of proposed models directly in control loop is developed. Obtained results are implemented in computer control systems of new generation of electron-beam welding machines KL115, KL117 и KL118 which successfully operate at manufactories of aerospace and metallurgical areas in Ukraine and USA. These machines differ by unique technology possibilities and high manufacturing performance.

Key words: Intelligent Manufacturing Systems, Model-Oriented Control, E-nets, temporal logic, virtual reality, image recognition.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Поняття інтелектуальної виробничої системи (ІВС) сформувалося під впливом зростаючих можливостей інформаційних технологій, що проникають у всі сфери людської діяльності. Важливим етапом розвитку на цьому шляху стала поява в 80-ті роки минулого століття гнучких виробничих систем (ГВС). Подальший розвиток робіт у даному напрямку привів до становлення комп'ютеризованого інтегрованого виробництва (КІВ). На цій стадії розвитку виник та був частково апробований цілий ряд фундаментальних ідей, принципів і технологій інформаційної інтеграції.

Однак найбільшого розвитку ідеї побудови сучасного підприємства отримали в ході виконання міжнародної програми “Інтелектуальні виробничі системи” (Intelligent Manufacturing Systems - IMS), яка була розвинута передовими промисловими державами світу на рубежі століть. В рамках програми IMS отримали розвиток більше 50-ти міжнародних проектів, в результаті виконання яких вже розроблені чи будуть створені новітні виробничі технології, які формують поняття сучасної виробничої системи.

Аналіз етапів розвитку виробничих систем показує, що основним елементом, який формує їх сутність, являється комп'ютерна система управління (КСУ). ІВС не скасовують і не відміняють принципи побудови виробничих систем, що були сформовані в процесі розвитку ГВС та КІВ, а роблять їх більш інтелектуальними, гнучкими й прогресивними за рахунок широкого використання передових інформаційних технологій на всіх рівнях управління, включаючи автоматизовані системи управління технологічними процесами (АСУ ТП) та автоматизовані системи управління підприємствами (АСУП). Фактично, ІВС привносять якісні інтелектуальні визначення в кожне із успадкованих від ГВС та КІВ властивостей, удосконалюючи автоматизацію технологічних процесів і підвищуючи рівень інформаційної інтеграції підприємств.

З точки зору автоматизації, ІВС відрізняє розвиток розподілених SCADA-систем (Supervisory Control And Data Acquisition - SCADA) до рівня реалізації відкритої модульної архітектури управління (Open Modular Architecture Controls - OMAC). В питаннях інформаційної інтеграції ІВС вирішують не тільки задачі обміну даними між різного роду комп'ютерними програмами, але і задачу підтримки повного життєвого циклу продукції, удосконалюючи CALS-технологію (Continuous Acqusition and Life cycle Support - CALS) у напрямку створення віртуальних підприємств.

Але головною характерною рисою ІВС, що визначає фактично їх назву і робить процес управління інтелектуально насиченим, являється широке використання комп'ютерного моделювання на всіх етапах прийняття управлінських рішень. В ІВС комп'ютери отримали цілком нове призначення. Окрім програмного управління й інтеграційних функцій на них все частіше покладаються задачі сприйняття, розпізнавання та відображення інформації, а також формування управлінських рішень по цілеспрямованій поведінці в різних ситуаціях розвитку виробничого процесу. Комп'ютерний зір, комп'ютерна графіка, імітація поведінки, людино-машинний інтерфейс, синтетичне оточення та віртуальна організація в цей час стають важливішими складовими процесу управління. Метод, покладений в основу функціонування даних складових, є моделювання, тому що завжди припускається використання моделі - деякого наближення до реального об'єкта; моделювання в даному випадку являється комп'ютерним, оскільки потребує значних обсягів обчислень.

Необхідно відмітити, що в останній час питанню застосування моделей в сучасній теорії управління, яка створювалась, у тому числі завдяки роботам найвидатніших вітчизняних вчених-кібернетиків В.М. Глушкова, О.Г. Івахненка, Т.П. Мар'яновича, А.O. Морозова, В.І. Скуріхіна та інших, приділяється величезна увага. Але, як показує аналіз останніх публікацій в області керованих процесів, зараз зусилля вчених зосереджені в основному на вирішенні проблем автоматичного управління в фізичних системах, залишаючи відкритим питання використання сучасних методів комп'ютерного моделювання при управлінні виробництвом.

Дисертація направлена на вирішення проблеми, що пов'язана з розробкою методів і технологій використання комп'ютерного моделювання при управлінні ІВС, які відрізняються складною структурою й динамікою поведінки. Відсутність розвинутої теорії, що дозволяє сформувати основні принципи використання комп'ютерних моделей в контурі управління ІВС, роблять дану проблему актуальною на сьогоднішній день. Її вирішення буде сприяти підвищенню ефективності високотехнологічного виробництва за рахунок удосконалення методів і засобів управління, побудованих на основі прогресивних інформаційних технологій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності з планами науково-дослідницьких робіт НАН України в рамках держбюджетних тем Інституту проблем математичних машин і систем та Інституту електрозварювання імені Е.О.Патона НАН України:

· “Методи програмної інженерії для систем управління об'єктами з потенційно-небезпечними режимами роботи”, 2000-2001 р., виконувалась за постановою Бюро відділення інформатики Президії НАН України від 21.01.2000, пр. №5, шифр “ПРОГІНЖ”, ГР №0100U000809, (відповідальний виконавець);

· “Розробка методів й інструментальних засобів програмної інженерії для систем прийняття рішень в задачах с просторово-часовою інформацією”, 2000-2003 р., виконувалась за постановою Бюро відділення інформатики Президії НАН України від 21.01.2000, пр. №5, шифр “ІНЖПРОГ”, ГР №0100U000810 (відповідальний виконавець);

· “Розробка методів управління масопереносу шляхом модуляції струму пучка при електронно-променевому зварюванні металів і сплавів великих товщин”, 2000-2002 р., виконувалась за постановою Бюро ВФТПМ НАН України від 20.04.2000, пр. №7, шифр 1.6.1.57.7, ГР №0100U004959 (виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертації є розробка теоретичних основ, методів і технологій модельно-орієнтованого управління (МОУ) інтелектуальними виробничими системами, що базується на широкому використанні комп'ютерних моделей, вбудованих в контур управління, і направлене на підвищення ефективності вироблення та здійснення керуючих рішень в реальному масштабі часу на всіх рівнях управління виробничим процесом.

Передумовою досягнення поставленої мети є вирішення цілого комплексу задач, основними з яких являються:

1. Розробка концептуальних основ модельно-орієнтованого управління інтелектуальними виробничими системами, яке полягає в використанні комп'ютерних моделей реалізації, прогнозування та відновлення, вбудованих у контур управління.

2. Розробка методу формалізованого опису алгоритмів управління на основі агрегативних моделей реалізації.

3. Розробка методу оцінки в реальному часі динамічних властивостей алгоритмів управління на основі моделей прогнозування.

4. Розробка комп'ютерних моделей відновлення, що базуються на використанні методів розпізнавання зображень, комп'ютерної графіки та віртуальної реальності.

5. Розробка технологій створення та вбудовування комп'ютерних моделей в контур управління на основі реалізації відкритої модульної архітектури на рівні АСУ ТП.

6. Розробка технології та інструментальних засобів модельно-орієнтованого планування та управління якістю виробничого процесу на рівні АСУП.

7. Комплексне використання розроблених методів і технологій модельно-орієнтованого управління на прикладі побудови комп'ютерних систем управління установками електронно-променевого зварювання (ЕПЗ).

Об'єкт дослідження - процес управління інтелектуальними виробничими системами.

Предмет дослідження - методи, технології та інструментальні засоби модельно-орієнтованого управління інтелектуальними виробничими системами.

Методи дослідження. Для вирішення сформульованих задач використовувався апарат теорії множин, математичної та темпоральної логіки, методи теорії графів, мереж Петрі, формальних мов, випадкових процесів, теорії ймовірностей та математичної статистики, а також методи аналітичного та імітаційного моделювання, об'ектно-орієнтований аналіз і графічні нотації універсальної мови моделювання UML.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна роботи полягає в формулюванні та вирішенні проблеми модельно-орієнтованого управління шляхом розробки методів та технологій створення та використання комп'ютерних моделей, вбудованих у контур управління виробничою системою. У процесі вирішення даної проблеми були отримані такі нові наукові результати:

1. Вперше розроблена концепція модельно-орієнтованого управління ІВС, яка полягає в використанні моделей реалізації, моделей прогнозування і моделей відновлення, вбудованих у контур управління. Обґрунтовані роль і місце модельно-орієнтованого управління в структурі управління ІВС.

2. Вперше розроблена формальна теорія керуючих Е-мереж і дана інтерпретація їх функціонування в термінах кусочно-лінійних марковських процесів; розроблений новий метод формалізованого опису алгоритмів управління за допомогою агрегативних моделей реалізації, побудованих за рахунок конкретизації кусочно-лінійних агрегатів апаратом керуючих Е-мереж; показана повнота формальної системи керуючих Е-мереж відносно змістовної теорії взаємодіючих послідовно-паралельних процесів.

3. Вперше розроблена темпоральна модель керуючих Е-мереж, що включає модель часу, модель станів і модель обчислень. Сформульований набір причинно-наслідкових залежностей і доказана теорема, що визначає умови детермінізму поведінки керуючих Е-мереж. Розроблений алгоритм динамічної синхронізації керуючих Е-мереж, який забезпечує їх детерміноване функціонування.

4. Розроблені синтаксис і семантика нового різновиду темпоральних логік - інтервальної логіки дерева обчислень (Duration Computation Tree Logic -DCTL), яка дозволяє специфікувати динамічні властивості алгоритмів управління з урахуванням тривалості заданих часових інтервалів. На основі DCTL розроблено формальне визначення моделей прогнозування, які враховують гібридний характер функціонування об'єкта управління (ОУ); розроблений механізм й алгоритм перевірки формул логіки DCTL на керуючих Е-мережах.

5. Обґрунтований, отримав подальший розвиток і доведений до рівня практичного застосування метод управління за допомогою вбудованих комп'ютерних моделей відновлення, які включають моделі відображення віртуальної реальності та моделі розпізнавання зображень. Розроблений метод побудови та використання в контурі управління моделей відновлення, який забезпечує відображення ОУ в зовнішньому оточенні за допомогою тривимірних моделей віртуальної реальності.

6. Розроблений комплекс методів і алгоритмів побудови моделей розпізнавання зображень, який включає: удосконалений метод анізотропної фільтрації, що враховує структуру зображень, удосконалений метод контрастування, що використовує динамічно побудовані шаблони, та удосконалений метод сегментації шляхом нарощування з одночасним використанням цифрової морфології.

7. Розроблені архітектура, основні алгоритми, мова специфікацій і методика застосування оригінальної системи імітаційного моделювання, призначеної для проектування моделей реалізації та прогнозування. Розроблені алгоритми роботи програмного інтерпретатора, який забезпечує виконання вказаних моделей при їх вбудовуванні в контур управління.

8. Вперше на єдиній формальній основі розроблений комплекс базових моделей процесів планування та управління якістю, що підтримує повний життєвий цикл продукції. Розроблені архітектура, алгоритми і методика застосування Internet-орієнтованих систем управління проектами та підтримки управління якістю, основаних на використанні вбудованих моделей реалізації та прогнозування.

9. Розроблені принципи побудови та архітектура новітніх розподілених КСУ установками ЕПЗ, які реалізують концепцію модельно-орієнтованого управління; розроблені моделі реалізації та прогнозування, які здійснюють управління вакуумною системою, джерелом струму та системою переміщень установки ЕПЗ на принципах ситуаційного управління, запобігаючи небажаному розвитку подій.

10. Вперше на основі запропонованих моделей реалізації та відновлення, що використовуються в реальному масштабі часу, розроблені метод візуального проектування програм зварювання з багатокоординатними переміщеннями, метод адаптивного слідкування за стиком довільної форми та метод багатоагентного управління одночасною роботою декількох електронно-променевих гармат у складі однієї установки ЕПЗ.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в дисертації методи та алгоритми дозволили на практиці реалізувати концепції модельно-орієнтованого управління ІВС, що не тільки забезпечило більш високу ефективність виробництва, але і дозволило перевести весь процес управління ним на якісно новий рівень, властивий інтелектуальним промисловим роботам. Особливу практичну цінність мають такі розроблені та апробовані інструментальні програмні засоби та технології:

· система імітаційного моделювання, що використовується при проектуванні моделей реалізації та прогнозування;

· технологія “портування” середовища виконання моделей на мікропроцесорну платформу;

· програмний емулятор апаратної платформи, що використовується для налагоджування середовища виконання моделей і безпосередньо програм управління;

· Internet-орієнтовані системи управління проектами та підтримки управління якістю, що використовують вбудовані моделі реалізації та прогнозування;

· технологія проектування інформаційно-керуючих систем на основі стандарту XML, в тому числі технологія створення та використання XML-описів керуючих Е-мереж, яка розширює стандарт PNML.

Результати дисертаційної роботи були впроваджені при створенні в період 2001-2004 років КСУ установками ЕПЗ нового покоління КЛ115, КЛ117 і КЛ118, які зараз з успіхом експлуатуються на підприємствах України та США при виробництві складних конструкцій аерокосмічного та металургійного призначення. Темпоральне навантаження керуючих Е-мереж дозволило попереджати розвиток критичних ситуацій і динамічно змінювати алгоритми управління в реальному масштабі часу. Мікро- та макромоделі відновлення, вбудовані безпосередньо в контур управління, дозволили вперше в світі реалізувати метод візуального проектування програм зварювання з багатокоординатними переміщеннями, завдяки чому значно зменшується час підготовки програм (в декілька разів) і підвищується якість зварювання. Моделі і програмні засоби управління проектами та підтримки управління якістю забезпечили супровід всього виробничого процесу на рівні вимог ISO 9001.

Розроблені методи, інструментальні засоби та технології модельно-орієнтованого управління можуть бути застосовані в інших областях високотехнологічного виробництва, в тому числі при створенні інтелектуальних промислових роботів і маніпуляторів з дистанційним керуванням. Розроблена система імітаційного моделювання може бути використана для створення та використання моделей складних систем різного призначення. Розроблені Internet-орієнтовані системи управління проектами та підтримки управління якістю будуть корисні як базові засоби організації управління на рівні підприємства. Результати дисертаційної роботи також доцільно використовувати в учбових вузівських дисциплінах, присвячених тематиці комп'ютеризованого управління, імітаційного моделювання та систем прийняття рішень на основі моделей.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. Автору особисто належать ідеї та розробки, що пов'язані з теоретичним обґрунтуванням і практичною реалізацією концепції модельно-орієнтованого управління ІВС.

В надрукованих статтях, опублікованих в співавторстві, здобувачеві належать: постановка задачі, теоретичне обґрунтування формального апарату, структура, алгоритми та мова специфікацій системи імітаційного моделювання [1, 5, 8, 28-30]; постановка задачі [6]; постановка задачі, формальні моделі та архітектури побудови програмних засобів для динамічної системи управління [2, 4, 7]; постановка задачі, формальні методи опису алгоритмів управління інформаційно-керуючих систем [9]; постановка задачі, базові формальні моделі та теоретичні дослідження, що покладені в основу розробки розподіленої системи імітаційного моделювання [10, 38]; постановка задачі, теоретичне обґрунтування методу проектування Internet-орієнтованих інформаційно-керуючих систем та інтерфейсів на основі стандарту XML [13, 14]; формальні моделі, архітектура й алгоритми систем управління потенційно-небезпечними об'єктами [15]; постановка задачі, методика “портування” ОС Linux на мікропроцесорну платформу [16]; принципи та моделі адаптивного управління процесами ЕПЗ [20]; архітектура розподіленої системи управління установкою ЕПЗ, моделі й алгоритми багатокоординатних переміщень [22]; формулювання проблеми, визначення задач та концептуальних основ модельно-орієнтованого управління ІВС [23]; характеристика задач та підходи до побудови систем прийняття рішень при управлінні підприємством [24]; архітектура системи управління установкою ЕПЗ із вбудованою експертною системою діагностики, концептуальні основи побудови та використання моделей діагностики [25]; постановка задачі, базовий алгоритм роботи переходу Е-мережі [26, 39], постановка задачі, методологія моделювання, формальна модель системи управління регіонального рівня [27].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідались й обговорювались на наукових семінарах Інституту проблем математичних машин і систем і Інституту електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України, а також на наукових конференціях:

· Першій міжнародній науково-практичній конференції з програмування УкрПРОГ'98 (Київ, 1998);

· Першій міжнародній науково-методичній конференції “Методичні й організаційні аспекти використання мережі INTERNET в закладах науки та освіти” (Вінниця, 1998);

· Міждержавній науково-методичній конференції “Комп'ютерне моделювання” (Дніпродзержинськ, 1999);

· Міждержавній науково-методичній конференції “Комп'ютерне моделювання” (Дніпродзержинськ, 2000);

· Другій міжнародній науково-практичній конференції з програмування УкрПРОГ'2000 (Київ, 2000);

· Міжнародній конференції "ISTA 2001. 1st International Conference on Information Systems Technology and its Applications" (Харків, 2001);

· Третій міжнародній науково-практичній конференції з програмування УкрПРОГ'2002 (Київ, 2002);

· Міждержавній науково-методичній конференції “Комп'ютерне моделювання” (Дніпродзержинськ, 2003);

· Всеукраїнській науково-технічній конференції “Інформаційні технології та моделювання” (Кременчук, 2003);

· Міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення” (Севастополь, 2003);

· Першій дистанційній науково-практичній конференції з міжнародною участю “СППР '2005. Системи підтримки прийняття рішень. Теорія та практика ” (Київ, 2005).

2. Основний зміст дисертації

У вступі розкрита актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й задачі дослідження, викладено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів, окреслений зв'язок роботи з науковими програмами, планами та темами НАН України та організації, де виконувалася робота, вказано на впровадження отриманих результатів, їх апробацію та публікації з розкриттям особистого внеску здобувача.

У першому розділі проаналізовані основні характеристики ІВС в контексті вирішення задач управління. Встановлено, що інтелектуальну складову ІВС визначає, насамперед, широке використання комп'ютерного моделювання на всіх етапах прийняття та здійснення управлінських рішень. Цей висновок підкріплений результатами змістовного аналізу проектів, що виконуються за всесвітньою програмою “Інтелектуальні виробничі системи”.

Дослідження особливостей використання моделей при управлінні виробництвом проведено з огляду на принципи управління ІВС та структуру КСУ, що їх реалізує.

Проведений аналіз принципів управління, які застосовуються у виробничих системах, показав, що існує ієрархічна послідовність використання принципів відтворення керуючого впливу, принципів прийняття керуючих рішень та принципів організації управління. Кожний наступний рівень в наведеній ієрархії вміщає в собі попередній. Таким чином, базовими для КСУ ІВС являються принципи ситуаційного, адаптивного та багатоагентного управління, які стосуються саме організації управління і визначають його стратегію.

Як засіб реалізації вказаних принципів в роботі запропонована структура КСУ ІВС (рис. 1), яка може бути задіяна на всіх рівнях управління, притаманних їй. Дана структура складається з трьох груп компонентів:

1. Блоку управління, який включає незмінне ядро КСУ та програми управління, що можуть динамічно змінюватися через генератор коду.

2. Блоку інтелектуальної підтримки, який виконує функції з вироблення керуючих рішень на основі аналізу прогнозованих результатів виконання поточних сценаріїв управління й оцінки реальної обстановки.

3. Блоку віртуальної реальності, до функцій якого входить забезпечення впливу на КСУ у відповідності до віртуального уявлення стану ОУ та його положення в зовнішньому оточенні.

Рис. 1 Структура КСУ ІВС

Замість традиційного використання аналітичних моделей та методів дослідження операцій, в даній роботі пропонується новий модельно-орієнтований підхід до втілення тієї чи іншої стратегії управління ІВС в рамках запропонованої структури КСУ, який полягає в широкому використанні комп'ютерних моделей в процесі вироблення та здійснення керуючих рішень в реальному масштабі часу на принципах ситуаційного, адаптивного та багатоагентного управління. МОУ не затверджує нові принципи організації управління, а тільки виступає в ролі способу їх реалізації з урахуванням складної ієрархічної структури та динаміки поведінки ІВС. Цей підхід вимагає використання комп'ютерних моделей, вбудованих безпосередньо в контур управління, які можуть динамічно змінюватися відповідно до умов функціонування системи, залишаючись весь час актуальними з точки зору управління. Актуальність у даному випадку означає адекватність моделей реальному процесу та їх придатність до прийняття рішень. Роль и місце МОУ в структурі управління ІВС показано на рис. 2.

Рис. 2 Роль і місце МОУ в структурі управління ІВС

Виходячи з задач комп'ютер-ного моделювання, які визначаються наведеною структурою КСУ ІВС, пропонується розглядати три види моделей, що вбудовуються в контур управління:

1. Моделі реалізації, які являються імітаційними моделями процесу управління, що виконуються контролерами. Вони дозволяють описувати та реалізовувати алгоритм управління (АУ) з урахуванням зміни стану як контролера, так і ОУ.

2. Моделі прогнозування, які оцінюють майбутню поведінку СУ з точки зору відповідності заданим властивостям. Завдяки моделям прогнозування з'являється можливість своєчасної динамічної зміни АУ з метою своєчасного попередження небажаного розвитку подій.

3. Моделі відновлення, що вирішують задачу відтворення відсутньої інформації про ОУ та зовнішнє оточення, усувають ефект запізнення зворотного зв'язку, фактично замикаючи його через себе, та забезпечують даними відносно параметрів, не охоплених зворотнім зв'язком.

Схема, що пояснює використання вказаних видів моделей в контурі управління, наведена на рис. 3. При цьому забезпечується нерозривність процесів вироблення та здійснення керуючих рішень, що у підсумку позитивно впливає на ефективність управління.

Рис.3 Схема використання моделей в контурі управління

Проведений аналіз існуючих формальних методів, які можуть бути задіяні при створенні та використанні вбудованих моделей, показав, що в своїй більшості вони базуються на лінійних моделях, притаманних системам з одним рівнем управління. В то й же час, реальні процеси, що зустрічаються в ІВС, мають, як правило, алгоритмічне визначення та демонструють динамічні й структурні феномени, які потребують координації рішень на різних рівнях управління.

Все це сприяє тому, що на даний момент існує проблема модельно-орієнтованого управління ІВС, яка полягає в розробці методів, технологій і програмних засобів створення та використання комп'ютерних моделей, що вбудовуються в контур управління. Сформульована проблема вимагає вирішення цілого комплексу задач, які окреслені у вступі як задачі дослідження і розглядаються у наступних розділах дисертації.

Другий розділ присвячено розробці методу формалізованого опису алгоритмів управління на основі агрегативних моделей реалізації.

Проведений порівняльний аналіз існуючих методів формалізації процесів управління показав, що найбільш привабливими підходами до побудови моделей “вхід-вихід” слід вважати кусочно-лінійні агрегати (КЛА), а для визначення моделей реалізації їх динаміки - Е-мережі - саме потужне розширення мереж Петрі, яке дозволяє проводити структурну перебудову моделі процесу. Комплексне використання вибраних підходів у рамках поточного дослідження базується на запропонованому у роботі формальному визначенні АУ багаторівневої СУ у вигляді трійки

, (1)

де - структура розподіленої КСУ, яка представляє собою граф з множиною елементів управління и множиною дуг ; - кінцева множина процесів управління , що реалізуються елементами ; - агрегуюче відображення, яке забезпечує поєднання формальних визначень та , заданих відповідно системою КЛА та Е-мережами.

З метою використання Е-мереж для цілей управління виробничими процесами, в роботі запропонована модифікація даного формального апарату, яка отримала назву керуючих Е-мереж (Control Evaluation Net - CEN). Формально CEN визначається шестіркою

, (2)

Де - кінцева непуста множина позицій, яка складається з підмножин - простих позицій та - вирішальних позицій, ; множина простих позицій може включати граничні вхідні та вихідні позиції , ; - кінцева непуста множина переходів, ; -функція інцидентності; - кінцева множина змінних мережі, яка складається з підмножин вхідних та вихідних сигналів, ; - множина керуючих відображень, які визначають правила спрацьовування переходів; - функція початкового маркування, яка задає присутність маркерів в позиціях.

Відмінність CEN від звичайних Е-мереж полягає в наступному:

1. Якщо звичайні Е-мережі були орієнтовані тільки на задачі моделювання, то в CEN, які виконують роль моделей реалізації АУ, всі дії узгоджуються з поточним станом ОУ та зовнішнього оточення. Взаємодія з ОУ здійснюється через відповідні вхідні та вихідні дискретні () чи аналогові () сигнали так, що і .

2. Для всіх простих позицій CEN виконується , що переводить CEN в клас безпечних мереж Петрі без можливості залучення позицій-черг. Однак для CEN збережено використання атрибутів маркерів , які можуть змінювати своє значення під час переміщення маркерів по позиціях.

3. В CEN використовується множина керуючих відображень , яка включає п'ять функцій, асоційованих з переходами мережі:

· вирішальну функцію таку, що , ;

· функцію готовності таку, що ;

· функцію активації таку, що ;

· функцію затримки таку, що ;

· функцію перетворювання , де таку, що .

Визначення функції активації є абсолютно новим, оскільки її використання викликано необхідністю врахування стану ОУ при визначенні умов спрацювання переходів додатково до . Крім того, всі керуючі відображення, окрім функції готовності, являються функціями часу (time), що додає додаткової динаміки CEN, забезпечуючи можливість зміни АУ під час його виконання при дотриманні низки умов.

4. В CEN використовується розширений базовий набір переходів, який додатково до переходів типів “T”, “F”, “J”, “X” та “Y”, що використовуються у звичайних Е-мережах, включає переходи-черги типів “QF” та “QL”. Перехід “QF” забезпечує дисципліну обслуговування FIFO, а перехід “QL” - LIFO.

Семантика CEN визначається, виходячи з принципу ситуаційного управління. При цьому вводяться поняття поточної ситуації, стану ОУ та стану CEN. Поточна ситуація визначається, як

, (3)

де - вектор значень вхідних дискретних сигналів; - вектор значень вхідних аналогових сигналів; - вектор маркувань позицій мережі. З урахуванням (3) схема, що розкриває семантичний зміст CEN, може бути представлена у вигляді, показаному на рис. 4.

Рис. 4 Схема реалізації методу ситуаційного управління за допомогою CEN

Наведена схема базується на п'яти принципах, що визначають особливості функціонування CEN: принцип локальності (маркування позицій впливає тільки на інцидентні їм переходи), принцип прямої дії (в CEN не використовуються кваліфікатори, які забезпечують виконання обмежених та відкладених дій), принцип циклічності (виконання CEN відбувається циклічно; до закінчення циклу сформовані вихідні сигнали не видаються, а вхідні сигнали не змінюються), принцип відсутності післядії (вся передісторія розвитку процесу збережена в поточному маркуванні і нема необхідності аналізувати попередній перебіг подій), принцип детермінізму (рішення, що приймаються, не повинні залежати від притаманного мережам Петрі внутрішнього недетермінізму, пов'язаного з послідовністю спрацьовування переходів).

Подальший розвиток теорії керуючих Е-мереж стосується їх застосування для конкретизації внутрішньої поведінки КЛА. Як агрегуюче відображення запропоновано використовувати кусочно-лінійний марковський процес (КЛМП), покладений в основу функціонування КЛА. В роботі доведено

Твердження 1. Процес функціонування CEN може бути представлений у вигляді КЛМП.

Доведення базується на понятті основного стану CEN, під яким розуміється маркування позицій , зафіксоване в кінці циклу виконання. З урахуванням цього визначення при певних умовах процес функціонування CEN може бути представлений у вигляді виразу

(4)

де - основний стан CEN; - вектор додаткових координат (часу затримки на переходах); - число переходів, затриманих при маркуванні . При лінійному зменшенні зі швидкістю мінус одиниця процес функціонування CEN буде представляти собою КЛМП. В момент досягнення нуля відбувається спрацьовування -го переходу мережі, що приводить до зміни стану CEN.

Наступним шагом у розкритті функціональних властивостей CEN, які зближують їх з КЛА, стало доведення

Твердження 2. Перехід CEN може бути зведений до системи, яка складається з елементарних агрегатів, що утворюють КЛА.

Доведення базується на новому визначенні переходу Е-мережі у вигляді трійки

, (5)

де - множина позицій, інцидентних переходу; -час затримки на переході; - функція перетворення переходу. Це визначення легко поширюється на переходи СEN, у яких функції готовності та активації дорівнюють одиниці.

В роботі дається опис всіх компонентів виразу (5) у термінах теорії КЛА, виходячи з відомої теореми, яка показує, що при кінцевих множинах станів, вхідних і вихідних сигналів КЛА може бути представлений у вигляді системи, що складається з агрегатів трьох типів: елементів пам'яті, елементів затримки та миттєвих кусково-лінійних перетворювачів. За рахунок введення поняття елементарного КЛА, який ставиться у відповідність до переходу CEN, формулюються правила композиції керуючих Е-мереж, які відповідають відомим припущенням відносно структурування агрегативних систем.

В роботі проведено обґрунтування функціональної повноти CEN відносно змістовної теорії взаємодіючих процесів. Для цього було використане відоме твердження Хоара відносно того, що процес однозначно визначається трьома множинами, які задають алфавіт процесу, його розходження та невдачі. Якщо розглядати CEN як формальну систему, у якої алфавіт представлений множиною переходів , аксіоми - функціями готовності , а правила виводу визначаються правилами композиції агрегативних систем, то процес управління може бути записаний у вигляді

, (6)

де - алфавіт процесу; - відношення між (набір всіх протоколів із ) і (множина-ступінь ); - підмножина , що визначає всі варіанти розходжень та невдач процесу. В роботі показано, що за допомогою базового набору переходів CEN можуть бути реалізовані всі можливі варіанти розходжень і невдач, притаманні послідовно-паралельним взаємодіючим процесам.

Третій розділ містить результати, пов'язані з розробкою методу оцінки в реальному часі динамічних властивостей алгоритмів управління на основі моделей прогнозування. Виходячи з аналізу методів специфікації динамічних властивостей реактивних систем, в роботі формулюється задача динамічної верифікації АУ. В рамках вирішення цієї задачі аналізується темпоральна модель CEN, яка включає модель часу, модель станів та модель обчислень.

Запропонована модель часу відповідає дискретно-подійному підходу, який припускає дискретну зміну станів процесу у безперервному часі. Виходячи з принципу циклічності, час, що враховується в моделі, не змінюється на протязі циклу її виконання і синхронізується із значеннями реального часу в моменти зміни основних станів мережі. При цьому умовою спрацювання в поточному циклі затриманого переходу є дійсне значення предикату , де - значення часу затримки на переході, обчислене при його активізації; - час циклу початку затримки на переході; - час поточного циклу виконання.

Як модель станів CEN розглядається виведене в роботі рекурентне рівняння

, (7)

де - вектор управління, складовими якого являються бінарні вектори готовності, активації та затримки, що з'єднані введеною операцією покомпонентного множення векторів. Особливістю рівняння (7) є те, що воно враховує час затримки переходів. Однак з причини множинності варіантів схем спрацювання переходів типів “X” та “Y” матриця перетворень , яка визначає порядок переміщення маркерів між позиціями, не являється стаціонарною. Тому дане рівняння не може забезпечити отримання аналітичних рішень відносно динаміки мережі, що потребує додаткового аналізу особливостей функціонування CEN.

Цей аналіз продовжено при визначенні моделі обчислень, яка визначає операційну семантику CEN. На відміну від моделі станів, яка розглядає зміну маркувань мережі, в моделі обчислень аналізуються послідовності спрацювання переходів. Оскільки, з точки зору модельного часу, всі операційні дії в мережі виконуються миттєво, то в одному циклі можуть спрацювати одночасно декілька переходів, в тому числі переходи, які не знаходяться в безпосередньому відношенні інцидентності і можуть вважатися паралельно функціонуючими. Для таких переходів можуть бути застосовані два види операційної семантики: семантика чергування та семантика часткового порядку.

В дисертації обґрунтовується твердження, що для CEN можуть бути визначені причинно-наслідкові залежності, які будуть визначати детерміновану упорядкованість чергування переходів. Закони функціонування переходів CEN при цьому обмежуються наступними аксіомами:

1. Аксіома унікальності (А1). Кожна елементарна дія зустрічається не більше одного разу в любій трасі графу обчислень.

Згідно з аксіомою унікальності, повторне виконання однієї й тієї ж функції перетворення повинно відповідати різним діям.

2. Аксіома комутативності (А2). Якщо дії і не зв'язані відношенням , котре являється транзитивним замиканням відношення інцидентності мережі , то результат обчислення не залежить від послідовності їх виконання.

3. Аксіома наслідування (А3). Для всякої трійки станів , такій, що допускається як , так і , дії чи можуть бути виконані тільки після того, як будуть виконані всі інші дії, що належать суфіксам та .

Аксіома слідування визначає умови виконання переходів типу “X”.

4. Аксіома передування (А4). Для всякої трійки станів , такій, що допускається як , так і , дії чи можуть бути виконані тільки після того, як будуть виконані всі інші дії, що належать префіксам та .

Аксіома передування визначає умови виконання переходів типу “Y”.

5. Аксіома черговості (А5). Для всяких станів і , що задовольняють аксіомам А3 чи А4, існує відношення порядку , яке встановлює послідовність їх виконання.

Виходячи із зроблених припущень, в роботі доказана

Теорема. Якщо граф обчислень CEN задовольняє аксіомам А1-А5, то він являється детермінованим.

Із даної теореми випливає, що послідовність дій циклу виконання CEN, яка побудована у відповідності до причинно-наслідкових залежностей, що задані аксіомами А1-А5, однозначно визначає стан мережі.

На основі аксіом А1-А5 в роботі розроблений алгоритм динамічної синхронізації CEN, який забезпечує детерміноване функціонування мережі по схемі КЛМП, виконуючи редукцію мережі до розмірності простору основних станів.

З метою визначення динамічних властивостей АУ в роботі запропоновано новий різновид темпоральних логік - інтервальна логіка дерев обчислень, яка отримала назву Duration Computation Tree Logic (DCTL). Алфавіт логіки DCTL складається з нескінченної зчисленої множини пропозиційних змінних , які визначають функції часу типу та двох логічних констант і ; знаків логічних зв'язок обчислення висловлювань ; знаків бінарних відношень ; кванторів загальності (“всюди”) та існування (“де-не-де”); темпоральних операторів (“інколи”), (“завжди”), (“в наступному циклі”), (“доки”); роз'єднувачів <,> та <;> ; скобок (), [ ], ( ], [ ); інтервальних виразів виду , побудованих за допомогою констант , скобок та знаків бінарних відношень. Елементарною формулою DCTL являється люба пропозиційна змінна чи константа. Інші формули DCTL визначаються по індукції:

. (8)

Відмінністю DCTL є те, що в них інтервальні вирази, які обмежують часову область, можуть бути застосовані не тільки до темпоральних операторів, а й до пропозиційних змінних. У випадку завдання обмеження на область дії темпорального оператора завжди мається на увазі абсолютний системний час, тоді як при використанні інтервальних виразів з пропозиційними змінними враховується відносний відлік часу, який означає інтервал, протягом якого дана змінна безперервно зберігає дійсне значення.

Для визначення семантики DCTL в роботі пропонується логічна модель, що відповідає темпоральній структурі CEN і визначається КЛМП. Дана логічна модель базується на двох твердженнях, доведених в роботі:

Твердження 3. Оцінка властивостей CEN повинна проводитися на ситуаціях, що відповідають основним станам мережі.

Твердження 4. CEN породжує темпоральну структуру Кріпке

, (9)

де - множина пропозиційних змінних (елементарних висловлювань, заданих на множині змінних мережі і множині значень атрибутів маркерів, що знаходяться в позиціях); - множина ситуацій, що відповідають основним станам мережі, , ; - дерево ситуацій, в якому визначені -шляхи від моменту часу і префікси тривалістю , причому - -дерево ; - початкова ситуація, ; - функція інтерпретації, яка визначає для кожної ситуації значення пропозиційних змінних.

Для структури ситуації і деяких формул відношення дійсності визначається таким чином:

· - предикат дійсний протягом часу на ситуації , якщо існує префікс тривалістю , на якому предикат дійсний;

· - формула дійсна, якщо на інтервалі часу в -дереві існує шлях, на якому формула виконується в наступній за ситуацією;

· - формула дійсна, якщо на інтервалі часу в -дереві на всіх шляхах формула коли-небудь виконується.

В роботі наведені чисельні приклади визначення динамічних властивостей АУ за допомогою DCTL.

Формули DCTL складають основу для формального визначення моделі прогнозування, яка описується шестіркою

, (10)

де CEN - формальне визначення АУ у вигляді керуючої Е-мережі; - множина формул DCTL, що задають динамічні властивості АУ; - відображення вихідних сигналів CEN у її входи, , ; - відображення дискретних входів CEN на множину моментів часу; - відображення, яке задає для аналогових вхідних сигналів закони їх зміни у часі, ; - початкова ситуація, від якої будується прогноз.

Відображення забезпечують моделювання поведінки ОУ під впливом АУ. Окремо модулюються дискретні та аналогові сигнали. Причому для останніх допускається використання як різницевих, так і диференціальних рівнянь, які вирішуються відносно змінної часу. В кожному циклі відбувається перерахунок значень відповідних вхідних сигналів. Для цього використовується CEN-модель ОУ, яка виконується паралельно з моделлю АУ і перезапускається в кожному циклі CEN-моделі АУ.

Розроблений механізм прогнозування реалізує відому стратегію горизонту, що віддаляється. Довжина горизонту визначається розмірністю загального КЛМП, який утворюється при об'єднанні процесів функціонування АУ та ОУ. Прогнозований час зміни ситуацій обчислюється за формулою

, (11)

де - час затримки переходів CEN-моделі АУ; - час затримки переходів CEN-моделі ОУ до моменту досягнення значень, заданих формулами .

В дисертації розроблений алгоритм динамічної верифікації формул DCTL за схемою моделей прогнозування, який для перевірки формул використовує бінарні діаграми рішень.

В четвертому розділі розроблені методи побудови та використання комп'ютерних моделей відновлення, що представлені моделями відображення віртуальної реальності і моделями розпізнавання зображень. Аналізуються варіанти використання моделей відновлення за схемами “оператор в контурі управління” та “апаратура в контурі управління”. Пропонується структура підсистеми відображення, яка забезпечує:

· побудову віртуальних тривимірних уявлень положення ОУ в зовнішньому оточенні;

· можливість активного впливу на отримане віртуальне відображення шляхом зміни ракурсу огляду та масштабу зображення;

· автоматичне сканування станів ОУ на основі даних, отриманих від датчиків.

В результаті моделі відображення дають оператору можливість ситуаційного управління об'єктом, базуючись на побудованому програмними засобами віртуальному уявленні.

Основними структурними компонентами підсистеми відображення являються:

· генератор кадрів, який використовує графічні функції OpenGL для побудови образу об'єкта та забезпечує взаємодію з ним;

· диспетчер образів, який реалізує правила поведінки об'єктів шляхом зміни атрибутів образів та відношень між ними;

· диспетчер схем відображення, який забезпечує відпрацювання сценаріїв (послідовності команд керуючих дій) та зміну точки огляду.