УДК 62-503.51

МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ С МНОГИМИ КРИТЕРИЯМИ

Заргарян Юрий Артурович1, Соловьев Виктор Владимирович2, Коринец Анастасия Дмитриевна3, Абрамов Максим Александрович4
1Южный Федеральный Университет, к.т.н., ассистент кафедры систем автоматического управления
2Южный Федеральный Университет, старший преподаватель кафедры систем автоматического управления
3Южный Федеральный Университет, студентка кафедры систем автоматического управления
4Южный Федеральный Университет, студент кафедры систем автоматического управления

Аннотация
Статья посвящена разработке нового метода моделирования систем проектирования, базирующегося на экспертном ранжирование критериев, с целью последующего поиска Парето-оптимальных решений в многокритериальных задачах.

Ключевые слова: методы системного анализа, многокритериальные задачи, Парето-оптимум, ранжирование критериев, теория нечетких множеств, теория принятия решений


MODELING OF SYSTEMS WITH MANY DESIGN CRITERIA

Zargaryan Yuriy Arturovich1, Soloviev Viktor Vladimirovich2, Korinec Anastasiya Dmitrievna3, Abramov Maksim Aleksandrovich4
1Southern Federal University, Ph.D., assistant of automatic control systems department
2Southern Federal University, senior Lecturer of automatic control systems department
3Southern Federal University, student of automatic control systems department
4Southern Federal University, student of automatic control systems department

Abstract
The article is devoted to the development of a new method of modeling systems design, based on the expert ranking criteria for the subsequent search of Pareto-optimal solutions in multi-tasks.

Keywords: decision theory, multi-criteria problems, Pareto optimum methods of system analysis, the ranking criteria, theory of fuzzy sets


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Заргарян Ю.А., Соловьев В.В., Коринец А.Д., Абрамов М.А. Моделирование систем проектирования с многими критериями // Современные научные исследования и инновации. 2013. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2013/10/27961 (дата обращения: 05.06.2017).

В современном обществе практически не существует такой области деятельности человека, которая могла бы полностью обойтись без использования различных методов моделирования систем. Сфера управления разнообразными системами проектирования, основой которой являются сами процессы принятия решений базирующихся на получаемой информации, является тому ярким примером.

В общем широком смысле – моделирование является главным и научно обоснованным методом для исследований практически во всех областях знаний, а также служит для оценки различных характеристик сложных систем, используемых для принятия решений в различных сферах технической, социальной, экономической или иной деятельности.

Математические модели (аналитические и имитационные) эффективно используются с целью исследования существующих и проектируемых систем. В данном случае модели реализуемые на современных ЭВМ выступают в качестве инструмента экспериментатора применяемым к моделям проектируемых систем.

Внедрение в практику современных методов исследования таких как: системы проектирования с множеством критериев, автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний, системы автоматизации проектирования, комплексов и сетей, информационных систем и прочее, являет собой одну из проблем современной науки и техники.

При моделирование систем проектирования с многими критериями возникает большое количество задач, требующих количественных и качественных оценок закономерностей процессов функционирования таких систем, а также проведения структурного алгоритмического и параметрического синтеза. При моделирование многокритериальных систем проектирования необходимо учитывать следующие особенности:

большое объем параметров и переменных, неполноту исходной информации и её недетерминированность;

сложность структуры и стохастичность связей между элементами, неоднозначность алгоритмов поведения при различных условиях;

различные условия воздействий внешней среды.

C позиций теории систем [1] любые технические, экономические или социальные объекты, при моделирование систем проектирования, можно рассматривать как элементы или подсистемы систем более высокого уровня или как самостоятельные подсистемы.

Технические, экономические или социальные объекты, как самостоятельные системы, определим в виде набора [2,3]

Sº<A, QA, R, QR, Z, SZ, B, DT, N, LN>,                (1)

где A={ai}, iÎI={1,2,…,n} – множество элементов исследуемого объекта, n – некоторое количество элементов в самом объекте; QA – некоторое множество свойств элементов объекта; R={rj}, jÎJ={1,2,…,m} – множество связей между элементами исследуемого объекта, m – количество связей между элементами объекта, QR множество свойств связей элементов объекта, Z цель, совокупность или структура целей функционирования объекта, которая связана с требованиями обеспечения экстремальных значений выбранных критериев оптимизации функционирования объекта; SZ условия образования целей; B вектор состояний (вектор конструктивных параметров); DT интервал времени, в течение которого будет существовать объект; N – наблюдатель принимающий управляющие решения, в зависимости от поведения объекта; LN язык наблюдателя.

Элемент неделимая часть рассматриваемого объекта. Элементы объекта могут быть объединены в подсистемы, решающие одну задачу. Связи характеризуют статику и динамику объекта и могут быть экономическими, физическими, правовыми, административными, информационными, функциональными и прочими. Особо следует отметить обратную связь, которая может быть положительной или отрицательной. Обратная связь является основой саморегулирования, развития объекта, как системы, приспособления его к условиям внешней среды.

Функционирование любого технического, экономического или социального объекта формально представим как взаимодействие с внешней средой, как это показано на рис. 1.


Рис. 1. Взаимодействие рассматриваемого объекта с внешней средой

Компоненты вектора Х имеют природу, связанную с назначением объекта и в общем случае делятся на управляемые и направляемые. Для управляемых компонент вектора Х задается, как модель, отображение Х=L(t), сопоставляющее каждому моменту времени t некоторое значение хÎХ. Отображение L(t) ещё называют входным процессом.

Возмущения F – это входные параметры, которые невозможно учесть.

Компонентами вектора выходных параметров Y являются параметры, на основании которых, а также компонент вектора состояний объекта B, судят об эффективности функционирования объекта. По аналогии с входным процессом можно ввести понятие выходного процесса Y=M(t) [4]. В теории управления [5] выходные сигналы называются фазовыми координатами (переменными состояния).

Определение (1) объекта, как отображение на языке наблюдателя элементов системы, свойств и связей между ними в виде некоторых отношений, отражает концепцию системного подхода к постановке и решению задач принятия решений в условиях неполноты данных. Принятие управляющих решений связано с управлением функционированием объекта, а функционирование объекта характеризуется целями и выполняемыми задачами. Оценка эффективности функционирования осуществляется с применением выбранных критериев, параметрами которых могут быть компоненты вектора Y и вектора B или их комбинации.

Из определения (1) системного подхода к моделированию сложных систем проектирования следует необходимость разработки модели управляемого объекта, позволяющей исследовать процесс принятия управляющих решений с целью выработки рекомендаций как относительно последствий принятия управляющих решений, так и прогноза эволюции управляемого объекта.

Согласно [6] к управляемой системе поступают от внешней среды управляющие воздействия Х и возмущающие воздействия Z. На выходе управляемого объекта существуют выходные параметры Y, которые измеряются с применением прибора P. На прибор P также воздействуют возмущения D, а на выходе прибора P имеется результат наблюдений V за изменением параметра Y. Пример управляемого объекта приведен на рис. 2.


Рис. 2. Управляемый объект

На концептуальном уровне моделирование является нахождением математической схемы, которая описывающей функционирование управляемого объекта и его взаимодействие с окружающей средой. Известно [6], что определение понятия «модель» может быть представлено по-разному, поэтому концептуальную модель управляемого объекта будем рассматривать, «как упрощенное отображение существенных сторон реальных процессов функционирования системы, выраженное в некоторой формальной форме и позволяющее описать правило (оператор) преобразования входных Х параметров в выходные Y»:

Y=W(ZХ),                        (2)

где W – некоторый оператор, под которым могут понимать математические действия, стохастические зависимости, логические формулы, теоретико-множественные преобразования и другие схемы преобразований.

Также можно задать модель прибора P в виде

V=L(YD),                        (3)

где L оператор, преобразующий параметры Y и D в выходные параметры в параметры наблюдения V.

Оператор W в общем случае устанавливает соответствие между входными параметрами, состояниями и выходными параметрами. Данный оператор в моделировании систем [6] представляют в виде двух операторов – оператор переходов и оператор выходов, которые и определяют концептуальную модель в виде соответствий.

Вектор конструктивных параметров управляемого объекта B={B1´B2´´Bm} имеет компоненты Bi, рассматриваемые, в свою очередь, как векторы Bi={bi1,bi2,… bin}, параметры которых могут быть константами, функциональными зависимостями, нестационарными распределениями вероятностей случайных величин или лингвистическими переменными и прочее. Между элементами множеств Х´B и множества B установим соответствие:

,                    (4)

где график нечеткого соответствия (в общем случае нечеткого соответствия).

Между элементами множеств Х´B и элементами множества Y установим соответствие:

,                    (5)

где нечеткий график нечеткого соответствия (в общем случае нечеткого соответствия).

Задание соответствия в виде (4) представляет собой реализацию оператора в виде функции переходов, а задание соответствия в виде (5) представляет собой реализацию оператора в виде функции выходов.

Графики , нечетких соответствий подлежат идентификации в зависимости от поставленных задач при управлении теми или иными объектами.

Функционирование любых сложных систем, к которым и относится системы проектирования, определяется, как правило, несколькими критериями, определенными на разных базовых множествах. Существуют разные подходы к определению многокритериальной эффективности функционирования сложной системы, причем, часть из них основана на ранжировании экспертами локальных критериев. Рассмотрим особенности ранжирования критериев в условиях неполноты данных.

Ранжирование оценка в ранговой шкале. Под ранжированием критериев f1f2, …, fmбудем понимать представление ранговой последовательности в соответствии с убыванием их предпочтительности. Например, семь критериев эксперт может ранжировать следующим образом: (4; 2; 1, 3; 5 - 7). Ранговая последовательность означает, что самый предпочтительный критерий f4, за ним следует критерий f2, затем идут равноценные критерии f1 и f3, и, наконец, также равноценны критерии f5, f6 и f7.

Рангом r(a) критерия f в рассмотренном примере является номер места, которое критерий занимает в ранговой последовательности (номер места). Для рассмотренного примера критерий f4 получает ранг 1, критерий f2   ранг 2, критерии f1, и f3 ранг 3, критерии f5, f6 и f7 ранг 4.

Метод попарного сравнения при ранжировании критериев применим для более достоверного выявления предпочтения эксперта, так как при обычном сравнении существует проблема транзитивности предпочтений: если критерий fiлучше критерий fj, а критерий fj лучше критерия fk, то и критерий fiлучше критерия fk. Метод попарного сравнения такой транзитивности заранее не предполагает.

Например, при выборе критериев f1f2, …, fm способ попарного сравнения состоит в указании большего критерия в каждой возможной паре из множества критериев f1f2, …, fm. Может также быть, что оба из критериев в паре равноценны или несравнимы. В теории множеств известно отношение предпочтения. Рассмотрим применение этого отношения к задаче ранжирования критериев.

Экспертами произведено попарное сравнение критериев из множества f1f2, …, fm и в результате получено множество двоек , в каждой из которых критерий fi предпочтительнее критерия fj. Например, на множестве критериев f1f2, …, f7 экспертами определено отношение предпочтения, графическое задание которого показано на рис. 3. График бинарного отношения на множестве <f1f2, …, f7> это подмножество PÍ<f1f2, …, f7>´<f1f2, …, f7> = <<f1f2>, <f1f4>, <f1f7>, <f2f4>, <f2f5>, <f2f6>, <f3f1>, <f3f2>, <f3f4>, <f3f5>, <f3f6>, <f4f5>, <f4f6>, <f5f1>, <f5f6>, <f5f7>, <f6f1>, <f6f7>, <f7f2>, <f7f3>, <f7f4>>.


Рис. 3. Графическое задание отношения предпочтения

В результате получено отношение предпочтения <<f1f2, …, f7>,Р>, причем, (fi,fj)ÎPтогда и только тогда, когда критерий fiпредпочтительнее критерия fj.

На множестве Р можно задать нечеткое отношение предпочтения , где график содержит множество двоек <<mP(fi,fj)>,<fi,fj>>, . Значения степеней предпочтения mP(fi,fj) задаются экспертами.

Четкое отношение предпочтения порождает многозначное отображение P<fi>={fj½<fi,fj>ÎP}, где P<fj> совокупность всех критериев менее предпочтительных, чем fi.

Нечеткое отношение предпочтения порождает многозначное нечеткое отображение <fi>={fj½<<mP(fi,fj)>,<fi,fj>>Î}, где <fi> совокупность всех критериев, нечетко менее предпочтительных, чем fi. Со степенью принадлежности mP(fi,fj) [7].

Задание нечеткого отношения предпочтения на множестве критериев f1f2, …, f7 является более общим подходом к задаче ранжирования критериев. Нечеткие отношения содержат практически полную информацию об оценках в ранговой шкале при их попарных сравнениях.

Следует отметить также и то, что количественные и балльные измерения критериев содержат больше информации, чем отношения, задаваемые на множестве критериев f1f2, …, f7. Действительно, знание отношений позволяет сказать, что лучше критерий fi, или критерий fj, но нельзя сказать во сколько раз.

В тоже время в практике принятия управленческих решений, при моделирование систем проектирования с многими критериями, выводы, делаемые на основе числовых измерений критериев, могут носить и качественный характер, например, для систем управления запасами ранжирование предприятий поставщиков, комплементарных товаров, транспортных средств и прочее.

Качественную информацию о критериях, а также элементах системы получить проще, чем числовую, т.к. не нужно производить измерений. Качественная информация обеспечивает большую надежность вывода, т.к. часто нет гарантии, что критерии fiи fj измерены с требуемой точностью, но практически всегда существует гарантия, что значение критерия fiбольше значения критерия fj.

Комплексный анализ критериев, измеренных в разных шкалах, требует осуществления перехода к одному типу данных: числовому или качественному. Можно свести все критерии к количественному виду за счет сужения множества допустимых преобразований, но в этом случае в качественные критерии вносится новая, искажающая информация.

Возможности теории нечетких множеств и теории возможностей позволяют произвести комплексный анализ критериев путем сведения числовых показателей к качественному виду, переходя к соответствующим нечетким отношениям предпочтения. Часть информации может быть потеряна, поэтому следует применять выводы, как на основе «количественной» обработки результатов измерения критериев, так и на основе «качественной» обработки. Если же эти выводы совпадают, то будет подтверждена их адекватность на основе исходных данных.

Так как моделирование сложных систем проектирования определяется несколькими критериями, определенными на разных базовых множествах, а задача определения многокритериальной эффективности в условиях неполноты исходных данных остается актуальной, то в рамках данной статьи предложен метод оптимизации одновременно по многим критериям при неполноте исходных данных. Отличие описанного метода заключается в том, что экспертное ранжирование критериев позволяет формально задать нечеткие графики предпочтения позволяющие получить исчерпывающую информацию об оценках в ранговой шкале при попарных сравнениях, с целью последующего поиска Парето-оптимальных решений в многокритериальных задачах.


Библиографический список
  1. Финаев В.И., Глод О.Д. Основы теории систем: Учебное пособие. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2000. 80 с.
  2. Заргарян Ю.А., Финаев В.И. Системное определение менеджмента//Труды Международной научной конференции «Системы и модели в информационном мире», (СМИ-2009), Часть 1. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. С. 39-40.
  3. Заргарян Ю.А. Методы системного анализа в задачах управления образовательными учреждениями//Сборник материалов докладов VII-й всероссийской конференции молодых ученых, аспирантов и студентов, «Информационные технологии, системный анализ и управление». – Таганрог: ТТИ ЮФУ, 2009. – С. 181 – 183.
  4. Грылева И.В. Модифицированные детерминированные и вероятностная модели управления материально-производственными запасами: Дис. на соискание ученой степени канд. экон. наук: 08.00.13. М.: РГБ, 2003.
  5. Егупов Н.Д., Гаврилов А.И., Коньков В.Г., Милов Л.Т., Мочалов И.А., Мышляев Ю.И., Трофимов А.И. Методы робастного, нейронечеткого и адаптивного управления: Учебник/Под ред. Н.Д. Егупова; изд 2-ое, стереотипное. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 744 с.
  6. Финаев В.И. Моделирование при проектировании информационно-управляющих систем. – Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2002. – 117 с.
  7. Заргарян Ю.А. Нечеткое отношение предпочтения при ранжировании критериев в задачах принятия решений// Всероссийская научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов. «Информационные технологии, системный анализ и управление»: Сборник материалов. Таганрог: Изд.-во ТТИ ЮФУ, Т.2, 2011. С. 62-64.


Все статьи автора «Заргарян Юрий Артурович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: