Информационное обеспечение автоматизированного обучения специалистов управлению модернизацией производства ( на примере производства комплексов вооружений )

На правах рукописи

ЛОМТЕВ Станислав Александрович

Информационное обеспечение автоматизированного обучения специалистов управлению модернизацией производства (на примере производства комплексов вооружений)

Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (образование)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2006

Работа выполнена в Институте информатизации образования Российской академии образования в лаборатории проблем информатизации профессионального образования

Научный руководитель: доктор технических наук,
старший научный сотрудник
БУГАКОВ Игорь Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Царьков Алексей Николаевич

доктор технических наук,

старший научный сотрудник

МИНАЕВ Владимир Николаевич

Ведущая организация: Московский авиационный институт (государственный технический университет)

Защита состоится « 24 » ноября 2006 г. в 1500 на заседании диссертационного совета К 008.004.01 в Институте информатизации образования Российской академии образования по адресу: 119121, г. Москва, ул. Погодинская, д. 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институте информатизации образования Российской академии образования

Автореферат разослан «___» октября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

В.С. Лысогорский

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Конкурентоспособность сложной продукции, выпускаемой предприятиями народного хозяйства, в том числе и предприятиями оборонно-промышленного комплекса в виде комплексов вооружений, во многом определяется своевременностью и качеством модернизации производства. Под модернизацией производства понимают процесс улучшения его материально-технической базы для повышения качества выпускаемой продукции. Модернизация не предполагает переход к принципиально новым изделиям с использованием принципиально нового оборудования, материалов и технологий, а связана с периодическим усовершенствованием существующего для соответствия современным требованиям. В условиях лавинообразного роста знаний и их «инженерии» путь постоянной, по сути, непрерывной модернизации – единственный способ остаться конкурентоспособным. При проведении модернизации производства комплексов вооружений следует учитывать ее важность для обеспечения обороноспособности страны, высокую стоимость и техническую сложность производства, уникальность оборудования, а также наличие угрозы утраты профессиональной преемственности в связи со старением кадрового потенциала оборонной промышленности, нарушением целостности оборонно-промышленного комплекса, связей между его специализированными предприятиями, по стратегическим соображениям ранее рассредоточенными на территории всего бывшего СССР.

В современных условиях научно-технической революции с учетом ежегодного удвоения знаний человечества и ограниченных возможностей отдельного человека по восприятию новой информации принятие эффективных решений на модернизацию производства невозможно без наличия системы непрерывного обучения специалистов управлению модернизацией производства, которая с учетом необходимости сохранения производственной (в случае комплексов вооружений - государственной) тайны должна быть внутрифирменной (корпоративной), а с учетом достижений и возможностей информационных и коммуникационных средств и технологий – автоматизированной. Эти достижения и возможности позволяют в автоматическом и автоматизированном режиме в рамках единой системы интеллектуальной поддержки принятия решений и обучения осуществлять не только поиск нужной информации, анализ и синтез управленческих решений, но и реализацию индивидуального обучения.

В настоящее время все больше отечественных предприятий реализует на практике идею внутрифирменного обучения, однако в большинстве случаев оно не связано с обучением управлению модернизацией производства. Необходимость проведения модернизации и ее успешность на конкурентоспособных предприятиях определяются, в основном, профессиональной интуицией высшего руководства, а ведущим учителем является собственный практический опыт.

Отсутствие на предприятиях эффективных автоматизированных систем обучения специалистов управлению модернизацией производства (как подсистем корпоративных информационных систем, решающих комплексную задачу управления финансами, персоналом, снабжением, сбытом, собственно производством, обучением) во многом определяется недостаточной разработанностью с единых позиций методологических основ построения и содержательной части информационного обеспечения таких систем.

В связи с этим актуальной на сегодняшний день является диссертационное исследование, посвященное разработке методологических принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций построения и функционирования информационного обеспечения автоматизированной системы внутрифирменного обучения специалистов управлению модернизацией производства, позволяющего специалистам в условиях неопределенностей посредством концептуального проектирования и математического моделирования принимать обоснованное решение на модернизацию производства, обеспечивать реализацию и целесообразную текущую коррекцию этого решения с целью достижения требуемой эффективности проводимой модернизации.

Таким образом, проблемная ситуация, определяющая актуальность темы, состоит в противоречии между необходимостью создания на основе современных информационных средств и технологий автоматизированных систем внутрифирменного обучения специалистов управлению модернизацией производства и отсутствием единой методологии формирования информационного обеспечения этих систем и их содержательного наполнения в виде системы взаимосвязанных принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций определило тему диссертации.

Объект исследований – автоматизированная система внутрифирменного обучения специалистов управлению модернизацией производства (АСОСУМП) комплексов вооружений.

Предмет исследований – информационное обеспечение АСОСУМП.

Цель исследования - разработка системы принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций по формированию информационного обеспечения АСОСУМП (на примере комплексов вооружений), направленных на повышение качества обучения специалистов управлению модернизацией производства и эффективности их практической деятельности.

В рамках этой цели решались следующие задачи:

• анализ принципов построения, функционирования и модернизации современного производства, структур систем его управления и роли АСОСУМП;
• разработка методологических основ информационно-базисного подхода к управлению производством и его модернизации, обучению специалистов управлению модернизацией производства;
• разработка совокупности моделей, обеспечивающих принятие рациональных решений на модернизацию производства;
• разработка методических рекомендаций по реализации автоматизированного обучения специалистов принятию решений на модернизацию производства и оценке эффективности функционирования автоматизированной системы обучения.

Методологической основой исследования явились фундаментальные теоретические и прикладные работы в области кибернетики (Н. Винер), общей теории систем (А.А. Богданов, Л. Берталанфи, Н.Д. Месарович, Д.С. Конторов), теории измерений (Я. Пиотровский, К. Берка), философско-методологического осмысления информации и системно-информационного подхода к управлению (Л. Бриллюэн, А.Д. Урсул, А.И. Берг, Б.Н. Петров, Ю.М. Горский, К.К. Колин, И.А. Бугаков и др.), искусственного и гибридного интеллектов (Р. Пенроуз, Д.А. Поспелов, В.Ф. Венда), спектрального подхода (В.В. Солодовников, А.Н. Дмитриев, Н.Д. Егупов, Ф.Ф. Дедус), информатизации образования (Я.А. Ваграменко, А.А. Кузнецов, И.В. Роберт, О.А. Козлов, С.В. Панюкова, Н.В. Софронова и др.), разработки и использования автоматизированных обучающих систем (С.Г. Данилюк, А.А. Павлов, В.П. Поляков В.П, Ю.А. Романенко, В.И. Сердюков В.И. и др.). Основой для системной интеграции этих направлений для решения поставленной в диссертации цели явилось соединение идеи информационного подхода, при котором информация рассматривается не просто как «сведения и сообщения о чем-либо», но как формирующее, организующее и преобразующее начало, и базисного подхода, при котором любое целое формируется путем весового суммирования базисных частных элементов. В соответствии с этим интегрированным подходом информационное обеспечение рассматривается как ведущий вид обеспечения современного производства. Это положение согласуется с идеей становления постиндустриального общества, в котором ведущей производительной силой и стратегическим ресурсом является информация.

Методы исследований. Для решения задач исследования использовался математический аппарат и методы дифференциального и интегрального исчисления, функционального анализа, теории фильтрации, теории принятия решений, теории вероятностей и математической статистики, линейной и современной алгебры.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем.

• На основе анализа современного состояния вопросов управления производством и возможностей средств информатизации образования сформулирован единый информационно-базисный подход к формированию и преобразованию измерительных и управленческих сигналов в технологических производственных и образовательных процессах на основе применения обобщенного ряда Фурье и обоснованы принципы его реализации для формирования информационного обеспечения АСОСУМП.
• Разработана модель динамической обработки информации на основе использования рядов Тейлора и ортогональных рядов, позволяющая автоматизировать процесс достоверного кратко- и среднесрочного прогнозирования за счет априорного формирования стандартных и специализированных аналитических базисов и функционирования в пространствах числовых коэффициентов разложения.
• Разработан комплекс моделей (дискретная настраиваемая модель управления производством, событийная модель технологических процессов, итерационная модель принятия решения в условиях неопределенностей при ограничениях на ресурсы и наличии априорной измерительной информации), позволяющий моделировать технологические и управленческие процессы при обучении специалистов.
• Опираясь на классические положения теории обучения применительно к трансформационной динамике систем и прогнозированию их развития, разработаны методические рекомендации по автоматизированному обучению специалистов принятию управленческих решений на модернизацию производства с использованием современных информационных средств и технологий.

Теоретическая значимость результатов диссертации состоит в развитии теории автоматизированного управления применительно к вопросам информационного обеспечения формирования эффективных управленческих решений на модернизацию производства и обучения специалистов принятию таких решений на основе принципов динамического восприятия и линейно-независимого (ортогонального) проектирования.

Практическая значимость работы заключается в разработке комплекса принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций по формированию информационного обеспечения АСОСУМП (на примере комплексов вооружений) как системы повышения квалификации и интеллектуальной поддержки принятия решений управленческого звена, позволяющей повысить конкурентоспособность продукции и персонала предприятия. Применение полученных в диссертации результатов на практике позволяет существенно (более чем на 80 %) повысить качество принимаемых решений на модернизацию производства.

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается обоснованностью исходных данных и принятых ограничений, корректностью постановки задачи исследований, использованием апробированного математического аппарата и методов исследований, сходимостью результатов теоретических исследований с результатами математического моделирования и экспериментальных исследований.

Апробация результатов. Результаты работы докладывались и обсуждались на Межведомственной конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем» (Серпухов, 2002 г.), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2003 г.), Международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов «Высокие технологии в педагогическом процессе» (Н. Новгород, 2004), III Межвузовской научно-практической конференции «Использование информационных технологий в процессе профессиональной подготовки специалистов» (Н. Новгород, 2005 г.), Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем» (Серпухов, 2006 г.), научных семинарах в Институте информатизации образования РАО, Военной академии ракетных войск стратегического назначения им. Петра Великого, Серпуховском военном институте ракетных войск, Институте инженерной физики РФ. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Внедрение результатов исследования. Защищаемые результаты реализованы в ФГУП «Московский институт теплотехники», ФГУП «27 ЦНИИ МО РФ», Московском авиационном институте (государственном техническом университете) и Серпуховском военном институте ракетных войск.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методологические основы информационно-базисного подхода к управлению производством и его модернизации, обучению специалистов управлению модернизацией производства.

2. Модель динамической обработки информации на основе использования рядов Тейлора и ортогональных рядов.

3. Обобщенные модели технологических и управленческих процессов модернизации производства.

4. Методические рекомендации по автоматизированному обучению специалистов принятию управленческих решений на модернизацию производства.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка литературы из 137 наименований. Объем работы - 164 листа, в том числе 4 таблицы и 29 рисунков.

основное содержание диссертации

Во введении проанализировано состояние предметной области исследования, обоснована актуальность проблема разработки информационного обеспечения АСОСУМП, сформулировано противоречие, исходя их которого, определены цель и задачи исследований. Приведены результаты, выносимые на защиту, показана их научная новизна, теоретическая и практическая значимость. Приводятся сведения о публикациях, апробации и реализации результатов исследований.

В первом разделе «Методологические основы информационного обеспечения автоматизированной системы обучения специалистов управлению модернизацией производства» анализируются принципы построения, функционирования и модернизации современного производства, структуры систем управления современным производством и роль АСОСУМП в его модернизации, на основе информационно-базисного подхода к управлению производством и его модернизации, обучению специалистов управлению модернизацией производства разрабатывается структура и принципы информационного обеспечения АСОСУМП.

При разработке методологические основы информационно-базисного подхода в качестве основных базовых принципов выделены: принцип наименьшего действия, принцип инерции, принцип динамического восприятия, принцип пороговости взаимодействия и развития. В качестве основного принципа-средства, обеспечивающего на основе модернизации сохранение динамического равновесия предприятия как открытой системы с внешней средой, выделен принцип управления связями, обеспечивающий желаемую перестройку структуры управляемого объекта (на различных иерархических уровнях) и, как следствие, выполняемых им функций. Реализация этого принципа предполагает соответствие модернизуемого производства следующим, свойственным природным интеллектуальным системам (живым организмам), принципам-условиям: пластичности (гибкости), виртуальности, избыточности, рефлексии, предвидения. Наиболее важным для решаемой в диссертации задачи является основанный на динамическом восприятии и вытекающий из концепции опережающего отражения П.К. Анохина принцип предвидения (опережающего восприятия), позволяющий разрешить противоречие между сложностью и быстродействием (как условием выживания) сложных систем. Исследован вытекающий из принципа динамического восприятия принцип приоритета крутизны сигнала и дополняющие его принципы символьного описания, классификации ситуаций, автоматизации поведения.

Показано, что одним из основных традиционных принципов организации производства с позиций системного анализа является принцип разделения и специализации труда, позволяющий каждой операции процесса производства поставить в соответствие свою оптимальную совокупность действий, эффективная реализация которых предполагает определенный уровень знаний и компетенций реализующего эти действия персонала, необходимое оборудование и инструмент. Сделан обоснованный вывод о том, что наиболее эффективной формализацией этого принципа, соответствующего всеобщей идее формирования целого из частных элементов, может служить обобщенный ряд Фурье , , где - множество линейно-независимых (в пределе ортогональных) «векторов» - базис, порождающий соответствующее пространство; - множество весовых коэффициентов, единственным образом представляющее сигнал по выбранному базису (выбирая другой базис , получают другое множество коэффициентов ).

Обоснованы преимущества базисного представления финитных сигналов , которыми являются почти все реальные сигналы, наиболее ярко проявляющимися в случае ортогональности элементов базиса. Ортогональный базис обеспечивает единственное, наилучшее (в среднеквадратичном смысле) и наиболее экономичное аналитическое представление. Меняя глубину разложения, можно добиться сколько угодно малой погрешности приближения. Разложение в ортогональный ряд является устойчивым без ограничения на длину отрезка ряда, причем увеличение числа разложений не требует перерасчета ранее вычисленных коэффициентов. После ортогонального разложения дальнейшие преобразования ведутся в пространстве полученных коэффициентов разложения (чисел) по априорно известным (и хранимым в памяти) алгоритмам. Многообразие ортогональных рядов и достаточная легкость их получения (посредством процедуры Грама-Шмидта) позволяет осуществлять их адаптивное использование. Основная проблема - в формировании соответствующего базиса.

Любое производственное предприятие как открытая система обменивается с внешним миром сигналами и управляется ими. Обычно в структурах автоматизированных систем управления выделяют две разновидности потоков: информационные и материальные, рассматривая процесс производства как материальный процесс, а управления как информационный процесс. Однако онтологически любой материальный поток является одновременно потоком информационным и наоборот, поскольку как управляющий, так и информационный сигнал – сочетание формы, структуры (чисто информационная составляющая: in-forma-tion – то, что содержится в форме) и ее материального носителя (энергетически-вещественная составляющая). В физическом (метрологическом) мире не бывает материи (энергии) без формы и, как следствие, несомой ей информации. Главенство составляющей (информационной или энергетической) определяется целесообразностью восприятия воздействия (в любом случае оно должно превышать соответствующий порог чувствительности). В физическом мире любой процесс – процесс информационный. Производственные предприятия как кибернетические системы осуществляют преобразования (трансформацию) вектора входных сигналов (информацию, вещество и энергию) в вектор выходных сигналов (выпускаемую продукцию) под действием вектора управляющих воздействий ( - вектор состояния производства как объекта управления), см. рис 1. При этом , , , где и - операторы. Потому к любому производственному процессу с любой желаемой точностью преобразования может быть применен математический аппарат функционального анализа, идея построения сложного посредством весового суммирования конечного количества простых базисных элементов. Это касается не только измерения или преобразования сигналов, но и формирования структуры производства и системы управления им, обучения персонала.

Рис. 1 Производственное предприятие как кибернетическая система

Рассмотрены возможные структуры систем управления производством. Показано, что ввиду особой государственной важности оборонных предприятий для них целесообразно сохранение соответствующей базисному подходу наиболее экономичной и управляемой линейно-штабной структуры управления с частичным внедрением идей иерархически-сетевого управления и рекомендаций ориентированной на процессный и командный подходы так называемой концепции «всеобщего управления качеством» - TQM (Total Quality Management), лежащей в основе известных международных стандартов качества ISO-9000 (International Standards Organization). При создании АСОСУМП целесообразно опираться на методологию формирования корпоративных информационных систем с учетом западных стандартов управления MRPII и ERP, максимально использовать возможности GALS-технологий, интегрировать естественный и искусственный интеллекты в рамках системы гибридного интеллекта.

Разработана структура АСОСУМП как системы гибридного интеллекта, в которой выделяют гибридный интеллект (ГИ), отвечающий за принятие решений, и систему реализации действий (СРД), обеспечивающую реализацию принятых решений для обеспечения заданной траектории состояний объекта управления.

Рис. 2. АСОСУМП как система гибридного интеллекта

Наличие обратной связи обеспечивает необходимую коррекцию решений-действий достижения текущих zi и глобальной цели Ц функционирования АСУ. Датчики ДX и ДУ формируют оценки X* и Y* векторов состояния среды X и объекта управления Y соответственно. Управляющее устройство (УУ) преобразует формализованное текущее решение zi в управляющий сигнал uj (t), а исполнительный механизм (ИМ) преобразует этот сигнал в достаточное (по мощности и энергии) управляющее воздействие dk(t): , , , , .Обоснована целесообразность сочетания при формировании управленческих решений и воздействий математической оптимизации с привлечением экспертных знаний, положительной и отрицательной обратной связей.

Во втором разделе «Разработка моделей управления модернизацией производства» формализована задача управления сложной системой в различных условиях, разработана модель динамической обработки информации на основе базисного подхода, дискретная модель управления модернизацией производства, событийная модель технологических процессов, модель принятия решения на модернизацию производства.

Показано, что задачу управления сложной динамической системой можно представить в виде: , где Y – выход; ; - воздействие среды; - известные функции; - управляющее воздействие; , , - запаздывания вследствие инерционности. Требуется найти управление , реализация которого на интервале при затратах С обеспечивает эффективность функционирования. Проанализированы частные случаи программного, ситуационного и адаптивного управления, возможности проектирования (программирования) в ограничениях (constraint programming) на основе «недоопределенной математики».

Разработана модель динамической обработки информации на основе использования рядов Тейлора и ортогональных рядов. В первом случае уравнение состояния чувствительного элемента и его решение имеют вид , .

где , - значение m-ой производной в момент времени t0=0 от исследуемого сигнала . Для нахождения составляется система минимум из Li=N+Mi+1 уравнений, на основании решения которой находятся искомые оценки локального образа , где - численные коэффициенты, - регистрируемые параметры состояния («базис» состояний).

Исследованы возможности решения проблемы некорректности операции дифференцирования (как одной из базисных операций прогнозирования), проблемы «погрешности усечения» (из-за конечности используемых элементов ряда Фурье) как вследствие потери тех высокочастотных составляющих спектра, которые лежат вне границ усечения, так и вследствие возникновения при любом усечении ряда Фурье эффекта Гиббса, проблемы «погрешности наложения частот» как следствия нарушения условия разделения суммы Пуассона (если такое наложение состоялось, т.е. выборка получена с шагом дискретизации или принято заниженное по сравнению с реальным значение , то впоследствии никакими мерами ошибку наложения не убрать). Показано, что при отсутствии помех для исключения наложения достаточно выполнить условие разделения . Однако в действительности бесшумовых ситуаций не бывает, поэтому предлагается, исходя из ошибки квантования, задавать допустимо мелкий шаг дискретизации , предварительно ограничив спектр зашумленного сигнала с помощью аналогового фильтра с частотой среза . Тогда спектр сигнала будет сосредоточен лишь на некоторой части центрального интервала , т.е. , , . Так как шумовые случайные величины взаимно независимы, то случайная функция как «белый шум» равномерно заполнит всю ось частот, причем на интервале содержится сигнал и шум, а на интервале - практически только шум. При этом чем меньше h, тем меньше дисперсия спектра ошибки , где - дисперсия -ой случайной величины , что приведет к меньшему зашумлению информативной части сигнала. Кроме того, уменьшение h ведет к сосредоточению спектра все на меньшей части центрального интервала, что упрощает реализацию фильтрации посредством умножения на «прямоугольное окно» , равное 1 при и 0 при >. Полученное в результате дискретизации сигнала множество подвергается далее цифровой фильтрации для удаления составляющих с и сглаживанию составляющих с . Профильтрованное и сглаженное множество в полном объеме используется для получения на основе метода наименьших квадратов множества оценок , при необходимости подвергаемых децимации для соответствия теореме отсчетов.

В случае применения ортогональных рядов, когда используется возможность представления сигнала с с заданной точностью в виде конечного обобщенного ряда Фурье , , искомые коэффициенты находятся из решения уравнения состояния . Поскольку - алгебраические полиномы, то решение получается в явном виде

,

где . Составляя систему из уравнений , где , и решая ее, можно найти искомые коэффициенты , множество , которых описывает измеряемый сигнал применительно к базису на всем интервале его существования.

Для нахождения коэффициентов на практике предлагается использовать «очищенное» множество значений , представляющее весь сигнал , , т.е. . Показано, что в качестве базиса для финитных сигналов целесообразно использовать базис из ортонормированных модифицированных функций Лагерра . Приведены алгоритмы для случая использования ряда Тейлора и ряда Лагерра, результаты компьютерного моделирования.

В соответствии с принципами пороговости и инерции разработана дискретная модель управления, описываемая зависимостью . Неточность измерения текущих значений выходных сигналов в условиях недостаточности априорной и статистической информации приводит к целесообразности использования настраиваемой модели , где - настраиваемый выход, - входное воздействие на объект, - измеряемый выход, - погрешность измерения. Оценка определяется, исходя из максимума плотности распределения , получаемой на основе статистической обработки выборочных значений помехи. Алгоритм оценки параметров: , , , , , , , , , где - объем выборки, где - оператор, преобразующий вектор в диагональную матрицу, - вектор абсолютных значений , и - колоколообразная функция и коэффициенты ее «размытости» соответственно, выражающие степень доверия к i-му измерению случайной величины.

В работе предлагаются базирующиеся на информационном подходе событийные модели технологических процессов. Показано, что технологическую сеть TN, моделирующую (потоковую) структуру производства, целесообразно представлять в виде ориентированного графа , множество вершин которого - модели агрегатов, а множество дуг - модели связей (продуктопроводов), соединяющих продуктивные входы и выходы агрегатов. Технологический процесс представляется в виде кортежа , где и - подмножество агрегатов и продуктопроводов, участвующих в выполнении процесса ; - матрица настроек, которая определяется при задании процесса на стадии определения функционирования сети TN; - матрица функции реализуемости; - матрица функции готовности; - жизненный цикл технологического процесса как конечный автомат. Состояние сети TN в момент времени t – это кортеж состояний всех агрегатов сети , где состояние, в котором в момент времени t пребывает агрегат , а и - признаки занятости и неисправностей агрегата соответственно. Для момента времени t имеет место разбиение технологического процесса на подмножества активных и пассивных процессов, так что модель представлена как двухуровневая: слой TN (агрегаты и связи по потокам) и слой (процессы).

Исследован процесс принятия решений как итерационная процедура, связанная с определением целей, критериев, ограничений, формированием списка альтернатив, разработкой математических моделей и их решением, оценкой альтернатив и выбором оптимальной из них, принятием решения, его исполнением и оценкой результата. Поскольку принимать решение на модернизацию производства всегда приходится в условиях большей или меньшей неопределенности (что связано не только со сложностью системы производства, но и с новизной каждой конкретной ситуации), то началом принятие решения является распознавание текущей ситуации на производстве, прежде всего, как ситуации, требующей осуществления модернизации, на основании анализа величины показателей и факторов производства, стратегических целей производства, целей модернизации, критериев и ограничений (по ресурсам и допустимому времени модернизации со сниженной эффективностью производства). После такого распознавания (частичное распознавание) на основе имеющихся данных осуществляется моделирование, результаты которого позволяют принять решение на проведение модернизации. Моделирование может входить в процесс распознавания (полное распознавание). Тогда каждой распознанной ситуации соответствует свое решение.

Модель: - множество состояний производства, требующих проведения модернизации; - множество возможных решений на модернизацию, принимаемых по результатам решения задачи распознавания текущего состояния производства; - множество вариантов разбиения на непересекающиеся классы, исходя из того, что каждому классу соответствует свое решение. Каждый из вариантов разбиения , разделяет множество на количество классов. На основе исходной информации составляется априорный словарь признаков, описываемый многомерным вектором , и априорный алфавит классов состояний. Задавая конкретные значения , исходное множество состояний как обучающую выборку разделяют на подмножества - классы . Если обучающая выборка представительна, то непосредственно обрабатывая исходную информацию, определеляют описания классов. При статистическом подходе к распознаванию такими описаниями являются априорные вероятности появления состояний соответствующих классов - , а также условные плотности распределения значений признаков по классам. Наличие описаний классов позволяет определить решающие правила, с помощью которых обеспечивается минимизация ошибок распознавания неизвестных состояний.

Зная - оценку апостериорной вероятности правильного решения задачи распознавания, усредненную по всем возможным значениям признаков априорного словаря, описываемого вектором , и — выигрыш, связанный с реализацией возможных решений при распознавании состояния, отнесенного к классу в варианте классификации , находят математическое ожидание выигрыша от выбора варианта при использовании априорного словаря признаков . Чем больше R, тем выше эффективность.

В условиях наличия ограничений на ресурсы , когда реализовать априорное признаковое пространство в полном объеме невозможно, целесообразно перейти от априорного словаря признаков к рабочему, вводя в рассмотрение вектор , компоненты которого равны единице или нулю в зависимости от того, используется ли данный признак априорного словаря в рабочем словаре или нет. Тогда оптимизационная задача заключается в нахождении из множества и такого вектора , которые при наилучшем решающем правиле обеспечивают максимальное значение критерия R при соблюдении ограничения , т.е. при . При этом определяет оптимальный алфавит классов, а - оптимальный рабочий словарь признаков. Дана итерационная последовательность решения этой задачи на основе метода последовательного приближения.

Частично исследована модель принятия решения вида , где - множество возможных значений ненаблюдаемого параметра (закон распределения неизвестен), U — множество возможных решений, - функция потерь, Р - статистическая закономерность на . Знание Р позволяет однозначно определить критерий для каждого .

В условиях многокритериальной задачи принятия решения обоснована целесообразность использования интегрального критерия в виде множества локальных критериев, коэффициенты относительной важности , которых образуют вектор важности: . Задача заключается в нахождении оптимальных значений управляемых параметров из области их допустимых значений , обеспечивающих достижение оптимального значения интегрального критерия , т.е. . Задавая ряд приоритета, с помощью соотношения формируют весовой вектор , , , , где показывает относительное превосходство критерия , и далее - вектор .

В третьем разделе «Разработка методических рекомендаций по обучению специалистов принятию рациональных решений на модернизацию производства» разработаны методические рекомендации по автоматизированному обучению специалистов принятию решений на модернизацию производства и оценке его эффективности.

При решении первой задачи в соответствии с принципом пороговости взаимодействия и развития за основу взята идея трансформационной стратегии управления на основе перехода системы от одной оптимальной структуры (стратегии) к другой - - непосредственно или через универсальную базовую структуру (стратегию) , обладающую хотя и пониженной (по сравнению с оптимальными структурами) эффективностью , но зато в более широком диапазоне условий , и предотвращающую снижение эффективности ниже допустимого значения , см. рис. 3. При этом оптимальную структуру можно рассматривать как соответствующую идее проектного подхода, когда под достаточно узкий диапазон внешних условий создается свой оптимальный проект и реализуется своя частная, временная структура производства и управления им. Универсальность же связана с идеей использования проверенных практикой традиционной линейно-штабной структуры управления производством (сохраняющейся и при реализации частных проектов). Особое значение приобретает опережающая идентификация достижения управляемой системой точек бифуркации - трансформационных точек 1, 2, 3 – точек перехода на другую структуру (стратегию).

Рис. 3. Трансформационные переходы в управлении и обучении

Исходя из этого, главная задача подготовки специалистов по управлению модернизацией производства должна быть связана с совершенствованием их способностей к достоверному прогнозированию точек бифуркации на основе концептуального проектирования и математического моделирования. При этом в процессе обучения, результатом которого является трансформационный переход системы знаний (стратегий поведения) обучающегося от одной оптимальной структуры к другой (в рамках одной стратегии возможны трансформационные переходы между пересекающимися тактиками, в тактиках – между приемами и т.д.), особое значение приобретает формирование универсальной базовой структуры знаний методологических основ управления модернизацией производства с высоким значением интегральной эффективности: , , где - интервал компетентности специалиста.

Основываясь на классических положениях теории обучения применительно к трансформационной динамике систем и прогнозированию их развития, изложены требования и рекомендации к формированию элементов АСОСУМП: информационного модуля (базы данных и знаний), контрольно-диагностирующего модуля, модуля управления ходом учебного процесса, модуля анализа объема и структуры знаний, модуля средств коммуникации, совокупность которых позволяет реализовывать индивидуальную образовательную траекторию с целью формирования необходимых компетентностей обучающихся. Развиваясь вместе с обучающимся, индивидуализированная обучающая программа, включающая демонстрационные, информационно-справочные, наставнические, моделирующие, контролирующие, тренажерные и др. программы, позволяет к моменту окончания обучения сформировать интегральный образ обучающегося (общий уровень его развития, уровень компетентностей, перспективы дальнейшего становления как специалиста по управлению модернизацией производства).

В дополнение к классическим методам оценки эффективности функционирования систем управления (обучения) осуществлена энтропийная интерпретация качества процессов управления. Показано, что наилучшей стратегией u* является та, которая минимизирует относительную энтропию начального состояния объекта управления , где , - энтропия объекта управления, способного находиться в n состояниях с вероятностями , - разнообразие управляющих воздействий.

Проведен эксперимент (обучающиеся - среднее управленческое звено предприятия оборонной промышленности, N=21) применительно к решению задач принятия решений в условиях аддитивной целевой функции с ограничениями типа , где - i-ый показатель, - вес i-ого показателя, - расход ресурсов на поддержание i-го показателя в требуемом состоянии, С – общее количество ресурсов. Результаты эксперимента показали высокую эффективность обучения (см. рис. 4), что свидетельствует о правильности полученных рекомендаций и целесообразности проведения дальнейших исследований.

Рис. 4. Результаты эксперимента

В заключении сформулированы основные результаты исследования, свидетельствующие о достижении поставленной цели по разработке методологических принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций информационного обеспечения АСОСУМП, направленных на повышение качества подготовки специалистов по модернизации производства и эффективности их практической деятельности.

1. Показано, что в современных экономических условиях сохранение конкурентоспособности производства на основе его непрерывной модернизации требует наличия и непрерывного развития АСОСУМП и его информационного обеспечения как системы знаний (в области производства и его модернизации) и средств их сбора, хранения, обработки и распространения, позволяющего специалистам в условиях неопределенностей посредством концептуального проектирования и математического моделирования принимать обоснованные решения на модернизацию, обеспечивать их реализацию и целесообразную текущую коррекцию с целью достижения требуемой эффективности проводимой модернизации. Ядром информационного обеспечения АСОСУМП является совокупность междисциплинарных методологических принципов, моделей и научно-обоснованных рекомендаций по его построению и функционированию.

2. Методологическим инструментом, способным обеспечить междисциплинарную интеграцию достижений отдельных естественнонаучных и гуманитарных направлений на этом пути, является информационно-базисный подход, с позиций которого любой процесс рассматривается как процесс информационный, причем целостность этого процесса обеспечивается весовым суммированием базисных составляющих. Общей моделью такого подхода является используемый в теории сигналов и функциональном анализе обобщенный ряд Фурье.

3. Сформирована структура АСОСУМП как развивающейся системы гибридного (человеко-машинного) интеллекта и получены рекомендации по ее реализации на основе возможностей современных информационных средств и технологий, исходя из всеобщих принципов наименьшего действия, инерции, пороговости взаимодействия (развития), динамического восприятия и частных принципов предвидения, пластичности, виртуальности, рефлексии, избыточности и др.

4. Исходя из особой важности прогнозирования при принятии решений на модернизацию, разработана модель динамической обработки информации на основе использования линейно-независимых базисов в виде ряда Тейлора и ортогональных рядов (в частности, ортонормированного модифицированного ряда Лагерра). Получены практические алгоритмы, инвариантные к начальным условиям и представляющие собой весовое суммирование наблюдаемых параметров состояния. Показана возможность использования данной модели для идентификации состояния объектов управления. Разработаны рекомендации по решению проблемы некорректности операции дифференцирования (как основе прогноза), используя процедуры фильтрации-сглаживания, позволяющие избавиться от погрешностей усечения ряда (эффект Гиббса) и погрешности наложения частот (при несоблюдении условия разделения суммы Пуассона). Исследована возможность управления частотой дискретизации наблюдаемого сигнала посредством управления инерционными свойствами его средства восприятия.

5. Предложена дискретная модель управления как рекуррентная настраиваемая модель, учитывающая имеющиеся статистические данные о распределении основных и влияющих величин. Разработана теоретико-множественная событийная модель технологических процессов. Представлена модель принятия решений на модернизацию производства в условиях неопределенностей, учитывающая наличие априорной статистической информации и ограничения на ресурсы. Показана целесообразность использования базисного подхода при формировании интегрального критерия в условиях многокритериального проектирования.

6. На основе классических положений теории обучения и развиваемого в диссертации принципа пороговости разработаны методические рекомендации по обучению специалистов принятию рациональных решений на модернизацию производства в рамках трансформационного подхода к управлению и обучению, направленного на опережающее распознавание бифуркационных точек перехода с одной на другую оптимальную структуру (стратегию) при условии их непустого пересечения.

7. На основе проведенного эксперимента показана эффективность использования разработанного научно-методического аппарата для обучения специалистов управлению модернизацией производства. Количество рациональных решений после обучения возросло на 83 %.

Публикации автора по теме диссертации

1. Ломтев С.А. Событийная модель структуры и функционирования технологических процессов. // Научно-технический сборник. – Серпухов: СВИ РВ, 2002, С. 101 – 105.
2. Ломтев С.А. Облик системы поддержки принятия решений на основе автоматизации и механизации управления производством. // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». - Пенза, 2003, С. 92 – 95.
3. Ломтев С.А Объектно-ориентированные технологии имитационного моделирования процессов функционирования сложных систем. // Высокие технологии в педагогическом процессе: Труды Международной научно-методической конференции преподавателей вузов, ученых и специалистов. - Н. Новгород, ВГИПА, 2004, С. 362…365.
4. Ломтев С.А. Информационно-алгоритмическое обеспечение системы поддержки принятия решений на основе компьютерных технологий. // Научно-технический сборник. - Серпухов: СВИ РВ, 2005, С. 124 – 127.
5. Ломтев С.А. Анализ особенностей концептуальных моделей предметной и информационной областей производственного технологического процесса. // Сборник трудов научно-технической конференции. – Ростов: РВИ РВ, 2005, С. 38…39.
6. Ломтев С.А. Информатизация процесса подготовки специалистов по модернизации производства в оборонной промышленности. // Сборник трудов III Межвузовской научно-практической конференции «Использование информационных технологий в процессе профессиональной подготовки специалистов». – Н. Новгород: ВГИПУ, 2005, С. 128…131.
7. Ломтев С.А. Информационно-базисный подход к управлению модернизацией производства. // Электронный журнал «Труды МАИ», 2006, № 25.
8. Ломтев С.А. Формирование аналитических образов импульсных сигналов в человеко-машинных системах. // «Проектирование и технология электронных средств», 2006. № 3.
9. Ломтев С.А. Бугаков И.А. Принципы подготовки специалистов по управлению модернизацией производства комплексов вооружений. // «Известия ИИФ РФ», № 2, 2006, С.45…48.
10. Ломтев С.А., Бугаков И.А. Гибридный интеллект как ядро автоматизированной системы обучения специалистов управлению модернизацией производства. // Труды XXV Межрегиональной научно-технической конференции «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». – Серпухов, 2006. Часть 2, С. 268…272.