УДК 62

АЛГОРИТМЫ ОПТИМИЗАЦИИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ СПЕЦИФИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ

Данилов Александр Максимович1, Дулатов Рустам Летфуллаевич2
1Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, д.т.н., профессор
2Пензенский государственный университет архитектуры и строительства, магистрант

Аннотация
Рассматривается оптимизация параметров многоцелевых систем с учетом предъявляемых к ним специфических требований. Предлагаемые методы могут рассматриваться как модификации метода ПАТТЕРН. Приводится практическая реализация некоторых подходов к многокритериальной оптимизации сложных систем.

Ключевые слова: векторная оптимизация, метод ПАТТЕРН, многоцелевые системы, модификации, приложение к синтезу материалов


ALGORITHMS FOR OPTIMIZATION OF COMPLEX SYSTEMS ACCORDING TO SPECIFIC REQUIREMENTS

Danilov Alexander Maksimovich1, Dulatov Rustam Letfullaevich2
1Penza state university of architecture and construction, doctor of science in engineering, professor
2Penza state university of architecture and construction, undergraduate

Abstract
We considered the optimization of the parameters of multi-purpose systems, taking into account the demands placed on them specific requirements. The proposed methods can be considered as a modification of the method PATTERN. Is given the practical implementation of some approaches to multi-criteria optimization of complex systems.

Keywords: a modification of the method PATTERN, application to the synthesis of materials, multi-purpose system, vector optimization


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Данилов А.М., Дулатов Р.Л. Алгоритмы оптимизации сложных систем с учетом специфических требований // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 4. Ч. 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/04/52211 (дата обращения: 28.09.2017).

При моделировании относительно простых систем приемлемые результаты дает использование детерминистических подходов (основываются  на определении с удовлетворительной достоверностью причинно-следственных связей). Однако при исследовании сложных систем они являются малоэффективными. Возникает  необходимость в разработке иных алгоритмов оптимизации параметров исследуемой системы, позволяющих учитывать  специфические требования к  системам.   Естественно, предполагается использование как индуктивных (строятся путем обобщения наблюдений по единичным частным фактам, которые считаются важными для принятия управленческого решения), так и дедуктивных (исходят не из анализа конкретных фактов, а из упрощенной системы гипотетических ситуаций) моделей [1,2].

В 1963 году по заданию Министерства обороны США была разработана методика ПАТТЕРН  (PATTERN – Planning Assistance Through Technical Relevance Number; переводится: помощь планированию посредством относительных показателей технической оценки), первоначально предназначавшаяся для решения задач планирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок в условиях неопределенности (то есть в сложных противоречивых системах). Предусматривались: выделение функциональных подсистем; принятие решений с помощью компьютерных программ; четкая формулировка политических целей по уровням (количество целей не ограничивалось, но предполагалась их детализация с указанием взаимосвязей). В методике использовался принцип деления сложной проблемы на более мелкие, пока каждая подпроблема не будет  разносторонне (по различным критериям) и надежно количественно оценена экспертами. В основном, она применялась для прогноза,  насколько сформулированные цели могут быть достигнуты.

Основные элементы в структуре ПАТТЕРН:

- выбор объекта прогноза;

- выявление текущих внутренних и внешних закономерностей;

- подготовка сценария (например, развития);

- формулирование генеральной цели прогноза и задач по ее достижению;

- анализ иерархии закономерностей с указанием относительной важности (например, весовых констант, сумма которых равна единице) каждого уровня;

- анкетирование;

- математическая обработка данных анкетного опроса;

- качественная оценка структуры;

- верификация;

- разработка алгоритма распределения ресурсов;

- распределение ресурсов;

- оценка результатов распределения.

Методика ПАТТЕРН позволяет:

- сформулировать внутреннюю структуру (дерево целей), включающую принципы создания, функциональные подсистемы, научно-технические проблемы и др.,

- определить внешнюю структуру (систему локальных критериев),

- разработать варианты ресурсного обеспечения элементов системы.

При использовании методики ПАТТЕРН  определяются: перечень конечных целей, суммарные веса целей (показатели научно-технической значимости; сумма коэффициентов относительной важности для каждого уровня иерархии принимается равной единице). На заключительном этапе производится рациональное распределение ресурсов в соответствии с уровнем этих коэффициентов. В методике ПАТТЕРН  впервые использовался системный подход к определению сложнейших планов научно-исследовательских работ в масштабе целой страны. При системном подходе  можно уменьшить или исключить неопределенность, свойственную решаемой проблеме, и реконструировать ее в моделях, отвечающих целям исследования; выявлять объекты, свойства и связи исследуемой системы с учетом взаимного влияния внешней среды. В методике используются важнейшие принципы системного анализа:

- процесс принятия решения начинается с определения и четкой формулировки конечных целей, а также критериев, по которым оценивается их достижение;

- устанавливаются все взаимосвязи каждого частного решения и анализируются возможные альтернативные пути достижения цели;

- непротиворечивость целей отдельных подсистем, которые не должны вступать в конфликт с целями всей системы (см. также «организмический принцип» []);

- выявление ресурсов и их увязка с целями системы.

Центральной процедурой при этом является построение модели (моделей), отражающей все те факторы и взаимосвязи реальной ситуации, которые могут проявиться в процессе осуществления решения. Все указанное направлено на повышение степени обоснованности принимаемого решения, расширение числа вариантов, среди которых производится выбор, с указанием оптимальных.

Главное достоинство методики ПАТТЕРН состоит в определении классов критериев оценки относительной важности, взаимной полезности, состояний и сроков разработки. Именно поэтому, одна из первых задач, решенных с помощью методики ПАТТЕРН, касалась научно-исследовательских разработок. Наука является настолько сложным организмом и так тесно связана с практической деятельностью людей, что основной критерий ее значимости, связанный с внутренней логикой развития науки, является лишь частью многомерного критерия. Необходим разумный баланс между внутренней логикой науки и практической значимостью. Нарушение этого баланса может привести к безразличию общества к науке или потери перспективы в фундаментальных исследованиях.  Разработка методики сведения многомерного критерия к единой количественной мере значимости отдельных научных направлений – важнейшая задача в планировании науки и оценке ее достижений. Должны быть установлены не только системы коэффициентов относительной значимости, но и определена ее динамика: система целей и значимостей может меняться с развитием науки, техники и воздействием внешних обстоятельств (экология, энергетический кризис и др.), и  нуждается в постоянном пересмотре. Классы критериев в различных модификациях (ПАТТЕРН-МО, НАСА-ПАТТЕРН, ПРОФИЛЕ, ППБ и.т.д.) используются в ряде других методик и до сих пор являются основой при определении системы оценок, составляющих структуру целей.

В соответствии с методикой ПАТТЕРН сложные иерархические структуры можно рассматривать как набор определенным образом типологизированных элементов и связей между ними. Эффективным является многоуровневое представление структур. Переход с одного уровня представления на другой осуществляется путем выделения определенных подструктур, которые, в свою очередь, можно  рассматривать в качестве макроскопических элементов, связанных между собой более простым и понятным образом. Элементы более низкого уровня могут рассматриваться как микроскопические. При таком подходе к проектированию система конфигурируется с использованием, так называемых, паттернов (англ. pattern — образец, пример, принцип; не путать с методикой ПАТТЕРН). Паттерн можно рассматривать как некое удачное типовое решение проблемы или как систематически повторяющийся фрагмент или последовательность элементов системы. Использование паттернов  является одним из эффективных способов решения характерных задач проектирования. В общем случае паттерн-проектирование представляет собой формализованное описание часто встречающейся задачи проектирования. Важнейшим на начальном этапе при работе с паттернами является адекватное моделирование рассматриваемой предметной области. Низшим уровнем представления системы является описание ее в терминах классов (со своими атрибутами и операциями) и соответствующих им обьектов, выступающих в качестве микроскопических элементов, и отношений между ними, играющих роль связей. Примером макроскопического элемента следующего уровня является системная архитектура, представляющая собой базовую подструктуру рассматриваемой системы. Самым высоким уровнем является интеграция отдельных систем, которые рассматриваются в качестве макроскопических элементов. Описание системы в терминах классов является  низшим уровнем ее представления. При моделировании системы на уровне классов проводится дополнительная типологизация: описывается структура системы в терминах микроскопических элементов и указывается, насколько система соответствует требуемому значению функционала.

Использование паттернов проектирования разработчику дает ряд неоспоримых преимуществ. Так, модель системы, построенная в терминах паттернов проектирования, фактически является структурированным выделением значимых при решении поставленной задачи элементов и связей (является более простой и наглядной, чем стандартная). Правильно сформулированный паттерн проектирования дает возможность пользоваться однажды удачно найденным решением многократно.

Эффективным оказалось использование методики ПАТТЕРН при синтезе материалов специального назначения. На практике создание новых композиционных  материалов обычно осуществляется, если способы модификации традиционных материалов исчерпаны. Конечно, это целесообразно и при изменении интенсивности эксплуатации и расширении области применения материала. Обычно для каждого эксплуата­ционного воздействия известны количественное значение и границы изменения соответствующего свойства, совокупностью которых и определяется качество материала (перечень и количественные значения свойств устанавливаются заказчиком). Анализ области применения и рецептурные расчеты (например, по методу абсолютных объемов) значений экстенсивных свойств (средней плотности, теплоемкости, теплопроводности и др.) являются основанием для выдвижения гипотезы о виде дисперсной фазы.

Качеством материала управляют рецептурно-технологическими факто­рами, выбор которых зависит от знаний о материале и технологии, фактических возможностей управления производством (уровня техники).

Такой подход пригоден для решения многих практических инженерных задач и установления основных свойств новых композиционных материалов на различных этапах развития технологии.

Представление композиционных материалов полиструк­турными позволяет поэтапно оптимизировать их структуру и свойства Это значительно расширяет возможности исследователя. Как уже отмечалось, каж­дый структурный уровень может рассматриваться как новый материал с заданными показателями качества, получение которого является самостоя­тельной задачей по выбору рецептурно-технологических параметров

Для композитов, получаемых на вяжущих веществах, не содержащих дисперсные фазы (синтетические смолы, термопласты, термореактивы и др.) выделяют уровень микроструктуры. Затвердевшие материалы на основе минеральных вяжущих веществ яв­ляются композиционными, состоящими из не прореагировавших зерен вяжущего (для портландцементов такие частицы получили название «клин­керный фонд») и продуктов твердения. Указанные  вяжущие тополо­ги­чески подобны мезо- и макроструктуре, которые содержат дисперсные фазы.

Последовательное совмещение уровней (от микро- до макрострук­туры) требует установления показателей качества и выделения критериев (свойств) для оптимизации рецептуры каждого уровня.

Так реализуется принцип совмещения структур,  в соответствии  с которым оптимальный по выбранному показателю качества материал (или структурный уровень), получается из предыдущих структурных уровней   (не обязательно являющихся оптимальными). Отметим, формализованная оптимизационная задача выбора  рецептурно-технологических параметров математически является задачей нелинейного программирования.

Практическая реализация некоторых из приведенных выше подходов к многокритериальной оптимизации сложных систем подробно освещаются в [3…8].


Библиографический список
  1. Прошин А.П., Данилов А.М., Логанина В.И., Гарькина И.А.Идентификация и задачи управления: системные методологии в строительном материаловедении / Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2005. - № 7. – С. 38-44.
  2. Гарькина И.А., Данилов А.М. Современная общая методология идентификации систем: моделирование свойств материалов / Региональная архитектура и строительство. – 2010. - № 1.-  С. 11-13.
  3. Скачков Ю.П., Данилов А.М., Гарькина И.А. Модификация метода ПАТТЕРН к решению архитектурно-строительных задач / Региональная архитектура и строительство. – 2011. - № 1. – С. 4-9.
  4. Гарькина И.А., Данилов А.М., Королев Е.В. Системный подход к разработке материалов: модификация метода ПАТТЕРН / Вестник МГСУ. – 2011. - № 2-2.-  С. 400.
  5. Гарькина И.А., Данилов А.М., Логанина В.И. Приложение метода ПАТТЕРН к конструированию композициональных материалов / Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. - № 1. – С. 46-51.
  6. Прошин А.П., Данилов А.М., Гарькина И.А. Синтез композиционных материалов: системный подход и пример реализации / Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2007. - № 7. – С. 18-22.
  7. Данилов А.М., Гарькина И.А. Системный подход к конструированию композиционных материалов / Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. – 2012. - № 7 (162). – С. 23-25.
  8. Гарькина И.А., Данилов А.М., Петренко В.О. Из опыта разработки материалов специального назначения / Современные проблемы науки и образования. -2014. - № 5. – С. 235.


Все статьи автора «fmatem»


© 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: