Методика планирования процесса модернизации информационно-управляющей системы

Развитие или совершенствование информационно-управляющих систем (ИУС) неразрывно связано с комплексным использованием средств управления, отображения, документирования на базе современных компьютерных технологий. Перманентное совершенствование подобного рода средств неизбежно приводит к тому, что модернизируются пункты управления и связи между ними. Пункты управления объединяются в зависимости от характера связей между ними в организационные структуры ИУС, которые представляют собой их взаимосвязанную совокупность. К таким ИУС предъявляется целый ряд требований, в числе важнейших, обеспечивающих заданную эффективность их функционирования, считаются требования к технической надежности вычислительных средств пунктов управления, включая сюда и линии систем передачи данных и связи, а также в ряде случаев и требования к живучести указанных элементов и системы в целом. В статье представлены аналитические зависимости и методика планирования процесса модернизации ИУС с учетом допустимого расхода материальных и временных ресурсов. Сутью процесса модернизации является выбор рационального варианта структурного резервирования пунктов управления в ИУС при условии наличия ограничений на дополнительные финансовые и временные ресурсы. Предлагаемая методика позволяет выбрать рациональный вариант структурного резервирования до начала проведения модернизации, который обеспечит заданную эффективность функционирования ИУС и допустимый расход финансовых и временных ресурсов при её проведении. Задача этого типа относятся к классу задач распределения неоднородного ресурса между потребителями.

На базе принципа декомпозиции ИУС на отдельные «конуса независимости», в статье в качестве основного метода решения задачи используется метод последовательного итерационно-циклического приближения к её рациональному решению.

Ключевые слова: организационная структура, задача распределения неоднородного ресурса, метод последовательного итерационно-циклического приближения к рациональному решению задачи, резервирующая связь, пункт управления, информационно-управляющая система, система передачи данных и связи

Введение

Вопросы повышения защищенности и надежности аппаратуры пунктов управления (ПУ) информационно-управляющей системы (ИУС), системы передачи данных (СПД) и связи, а также обслуживающего персонала рассматриваются в известных областях технических и военных наук и в существующей литературе отражены достаточно широко. Эффективность их решения характеризуется надежностными и стоимостными показателями. Решение задач структурного резервирования, хотя и позволяет обеспечить, как правило, требуемую живучесть системы управления, но в целом ряде случаев может быть экономически недоступным в силу ограниченных финансовых ресурсов. В этом случае решение задачи в целом представляется возможным за счет структурного резервирования ПУ без увеличения их числа в ИУС путем замены координационных или субординационных связей в их иерархической организационной структуре резервирующими.

В большинстве случаев целесообразно и необходимо совершенствовать ИУС с линейной структурой, так как она обладает наибольшими резервами для повышения её эффективности при модернизации. Отчасти сказанное выше справедливо и для ИУС с функциональной структурой.

Решение задач повышения эффективности функционирования или живучести (защищенности и надежности) ИУС рассматривается в комплексе, исходя из существующих финансовых и временных ограничений. Задачам в подобной постановке, по мнению авторов, в существующей литературе не уделялось должного внимания. Сложность ее решения обусловлена тем, что в ней необходимо одновременно учитывать влияние затрат на структурное резервирование ИУС и затрат на повышение надежности аппаратуры ПУ ИУС, которые носят существенно нелинейный характер.

Математическая постановка задачи и выбор метода её решения

Эффективность применения современной ИУС определяется не только эффективностью функционирования каждого ПУ, но и зависит от того насколько они эффективно взаимодействуют между собой. Поэтому процесс совершенствования ИУС должен рассматриваться в комплексе всех мер по улучшению технической и программной оснащенности ПУ, изменению их функциональных связей. Вначале важно оптимально спланировать сам процесс модернизации ИУС и выбрать один из методов его организации: последовательный, параллельный и параллельно-последовательный. Выбор того или иного метода определяется необходимостью поддержания высокой готовности ИУС и директивным временем на её модернизацию.

Сутью процесса модернизации является выбор рационального варианта структурного резервирования пунктов управления в ИУС при условии наличия ограничений на дополнительные финансовые и временные ресурсы.

, (1)

где — показатель определяющий безошибочность и своевременность решения — м ПУ задач управления; ;

— показатель определяющий безошибочность и своевременность решения — м ПУ задач управления - го ПУ;

— матрица взаимного резервирования (назначения) ПУ ИУС, элемент которой , если - й ПУ в процессе решения задач управления резервирует - й ПУ, а в противном случае ;

— матрица коэффициентов участия, элемент которой определяет степень участия

Решение задачи следует рассматривать как поиск такого вектора , при котором эффективность функционирования ИУС будет максимальна.

Учитывая это замечание, рациональный вектор организационной структуры ИУС может быть определен из выражения вида

(2)

; ,

где — соответственно нижний предел показателя эффективности функционирования - го ПУ заданного уровня иерархии ИУС;

— соответственно, нижний предел показателя эффективности функционирования

— матрица назначения (допустимого для ИУС резервирования ПУ), определяемая характером их функциональных связей;

— временные ограничения на модернизацию ИУС;

– стоимостные ограничения на модернизацию ИУС;

, — соответственно, время и стоимость проведения мероприятий по модернизации ИУС.

1. При условии наличия ограничений на директивный срок модернизации организационной структуры ИУС.
2. При условии наличия стоимостных ограничений модернизации организационной структуры.

Возможны различные комбинации указанных задач. В практике планирования процессов модернизации ИУС нередко также встречаются обратные задачи минимизации временных и стоимостных затрат при условии, что показатели её эффективности будут не ниже требуемых значений [3,4,10,14].

Задачи первой группы возникают при необходимости оперативного повышения (сохранения) эффективности функционирования ИУС, связанной с периодическими или случайными изменениями состава ПУ. Поиск рациональной структуры ИУС производится при этом на основе использования имеющихся ресурсов, характеристики которых определяются матрицей .

Задачи второй группы возникают при необходимости долговременного планирования процесса совершенствования организационной структуры ИУС для достижения максимальной её эффективности функционирования. Задачи указанных групп используются, как правило, для долгосрочного оптимального планирования процесса совершенствования ИУС.

Результаты процесса совершенствования ИУС зависят от его организации. Если позволяет директивный срок проведения модернизации, выбирается последовательный метод её проведения.

Выбор этого метода определяется необходимостью поддержания высокой готовности ИУС.

Для множества ПУ и связей между ними удобно использовать матричную форму записи исходных данных и результатов расчетов.

Тогда в общем виде задачу можно сформулировать следующим образом. Примем известными:

− вероятностные характеристики живучести ПУ ИУС, в условиях воздействия внешних факторов в их точках дислокации являются элементами диагональной матрицы , где

− надежность аппаратуры отдельных ПУ (и связанных с ними участков линий СПД и связи)0, матрицей — строкой , где характеризуют надежность (вероятность безотказной работы) ПУ;

− стоимостные характеристики организации и проведения мероприятий по модернизации ИУС в виде квадратной матрицы ,

где

– стоимостные характеристики проведения мероприятий по увеличению вычислительных мощностей и подготовке резерва операторов на резервирующих (резервируемых) ПУ,

— допустимый уровень затрат, направляемых на модернизацию ИУС — .

Как правило, до проведения модернизации действующей ИУС известны трудозатраты (чел/час) на проведение мероприятий по её модернизации, что облегчает получение временных характеристик:

,

где – время проведения мероприятий по совершенствованию вычислительных средств, средств отображения и управления, по созданию и подготовке резерва операторов на резервирующих (резервируемых) ПУ,

— директивное время, отпущенное на модернизацию ИУС — .

На практике допустимый уровень затрат и директивное время задаются вышестоящим органом управления.

Тогда эффективность решения комплексов задач управления ИУС пунктами управления с учетом показателей живучести и технической надежности ПУ, а также надежности линий СПД и связи будет равна

где — диагональная матрица характеристик живучести ПУ ИУС;

— матрица — столбец характеристик надежности ПУ;

– матрица, в которой диагональные элементы равны нулю, а остальные элементы – характеристики надежности линий СПД и связи. Подобную матрицу в [7,8,9,12] называют матрицей отношений или связности;

— единичная матрица.

В качестве «инструмента», для упрощения процесса решения поставленной задачи, используется квадратная матрица назначений

Задачу повышения живучести и технической надежности ИУС целесообразно рассмотреть на примере одной из её подзадач (далее задачи): задачи структурного резервирования ПУ в ИУС ( без увеличения их числа ) при условии наличия ограничений на дополнительные финансовые и временные ресурсы. Решение этой задачи представляется возможным путем введения дополнительных резервирующих (координационных) связей в организационной структуре ИУС, а также путем повышения надежности аппаратуры ПУ ИУС.

Само понятие «резервирующая связь» между ПУ ИУС было впервые упомянуто в работах [1–6,9,12] для данной предметной области. Резервирующая связь между ПУ — это такая связь, которая обеспечивает решение 100 % наиболее важных задач управления резервируемого ПУ резервирующим ПУ.

Сложность ее решения обусловлена тем, что необходимо одновременно учитывать влияние затрат на структурное резервирование ИУС и затрат на повышение надежности аппаратуры ПУ ИУС, которые носят существенно нелинейный характер [1–6,9,10,12,13,15].

Необходимо определить рациональный вариант решения рассматриваемой задачи — матрицу назначения (априорный план модернизации организационной структуры), который обеспечивает максимальную эффективность функционирования ИУС — при допустимых затратах средств и времени на её модернизацию.

Математически задача может быть представлена в следующем виде:

(5)

при условии, что

где , а — искомая оптимальная матрица назначений, элементы которой могут принимать значения равные 1, если ПУ резервируется ПУ или 0, в противном случае. Искомая матрица назначений может быть получена методом последовательного итерационно-циклического приближения к рациональному решению путем последовательных итераций (этапов) при проведении модернизации ИУС.

В этом случае элементы матриц , и

Выбор возможного направления резервирования и, соответственно, резервирующего пункта управления , осуществляется таким образом, чтобы на каждом этапе модернизации обеспечивался бы максимум выражения (5). Итерационный процесс модернизации прекращается на таком шаге z , при котором выполняется одно из трех неравенств

где – эффективность функционирования ИУС на этапе z ;

– расходы на проведение модернизации на этапе z ;

– время на проведение модернизации на этапе z.

В матрицу записывается её элемент , соответствующий рассматриваемому направлению резервирования (модернизации) после каждой итерации. После завершения итерационного процесса получаем искомую матрицу назначений , а также затраты на реализацию каждого направления и время.

Пример . Оргструктура ИУС включает в себя три ПУ на одном уровне управления, показатели эффективности функционирования которых равны:

.

Как видно, в составе ИУС имеется 2-й ПУ, который имеет низкую эффективность функционирования (например, по причине низкого уровня автоматизации). Связи между ПУ отсутствуют, так как оргструктура у ИУС линейная, то есть имеются только субординационные связи с ведущим ПУ (рис. 1). Совершенствуются ПУ нижнего уровня управления, которые свои задачи управления решают независимо друг от друга. Эффективность решения задач ИУС в целом до проведения модернизации тогда равна . Требуемая эффективность функционирования ИУС , а

Рис. 1 Организационная структура ИУС до модернизации

Чтобы уменьшить размерность матриц и (число направлений совершенствования ИУС) на первом этапе модернизации вычеркиваем в них третий столбец и третью строку. Тем самым модернизируем на первом этапе первый и второй ПУ и связи между ними, что соответствует последовательному методу организации процесса.

Тогда матрица , а варианты матрицы соответствующие направлениям (вариантам) модернизации на первом этапе приведены в таблице № 1. Возможные расходы на модернизацию и время проведения

Таблица 1

Направления модернизации ИУС и их характеристики на первом этапе

Анализ содержимого таблицы № 1 показывает, что наиболее эффективными являются направления модернизации (3 и 4), связанные с введением двухсторонней резервирующей связи между первым и вторым ПУ и модернизацией второго ПУ или обоих одновременно. Выбираем 4 направление.

На втором этапе модернизации вычеркиваем в матрицах и первый столбец и первую строку. Тем самым модернизируем на втором этапе третий ПУ и связи между ним и вторым ПУ, при этом учитываем результаты первого этапа модернизации. Кроме этого, на втором этапе число направлений модернизации уменьшается до двух.

Тогда матрица , а варианты матрицы соответствующие направлениям (вариантам) модернизации на втором этапе приведены в таблице № 2.

Направления модернизации ИУС и их характеристики на втором этапе

Анализ содержимого таблицы № 2 показывает, что эффективными являются оба направления модернизации (1 и 2), связанные с введением двухсторонней резервирующей связи между вторым и третьим ПУ и модернизацией третьего ПУ. Выбираем 2 направление.

На третьем этапе модернизации вычеркиваем в матрицах и второй столбец и вторую строку. Тем самым модернизируем на третьем этапе связи между третьим ПУ и первым ПУ (при этом оба ПУ в модернизации не нуждаются) и учитываем результаты первого и второго этапов модернизации. Кроме этого, на третьем этапе число направлений модернизации уменьшается до одного. Тогда матрица , а вариант матрицы соответствующий направлению (варианту) модернизации на третьем этапе приведен в таблице № 3.

Таблица 3

Направления модернизации ИУС и их характеристики на третьем этапе

Таким образом, требуемая эффективность функционирования ИУС для данного примера достигается на третьем этапе модернизации (рис. 2) за счет двух-кратного резервирования каждого ПУ двумя другими. Организационная структура ИУС соответствует матричной структуре [3,4].

Рис. 2. Организационная структура ИУС после модернизации

В результате найдена рациональная структура связей резервирования между ПУ ИУС, при которой обеспечивается максимум эффективности функционирования ИУС при заданных сроках модернизации её ПУ, а искомая матрица назначений (априорный план проведения модернизации) для данного примера имеет вид:

Текстуально план кратко формулируется следующим образом:

− на первом этапе поочередно модернизируется первый и второй ПУ и параллельно создается резервирующая связь между ними;

− на втором этапе модернизируется третий ПУ и параллельно создается резервирующая связь между вторым ПУ и третьим ПУ;

− на третьем этапе создается резервирующая связь между первым ПУ и третьим ПУ.

Модернизация ИУС проводится в три этапа. Распределение поэтапно известных ресурсов

Однако этот «красивый» результат может быть не получен, если недостаточно средств или времени на проведение модернизации. Поэтому лицу принимающему решение (ЛПР) следует обратить внимание на то, что если требуется глубокая модернизация с применением самых современных вычислительных средств и технологий для достижения максимально возможной эффективности функционирования ИУС, то и требуемый объем финансовых и временных ресурсов должен соответствовать поставленным целям.

Очевидно, что при реализации того или иного направления модернизации ИУС можно варьировать выделенными на это финансовыми и временными ресурсами. В процессе на каждом этапе модернизации можно уменьшить расходы за счет использования самых современных вычислительных средств и технологий, которые, как правило, дешевле и эффективнее тех, которые применялись ранее. Время проведения модернизации на каждом этапе можно также уменьшить за счет использования передовых технологий при монтаже, настройке и испытаниях вновь вводимых вычислительных средств, аппаратуры ПУ, систем ПД и связи, а также варьируя количеством и уровнем профессионализма специалистов. В случае необходимости можно кардинально уменьшить время, используя параллельный метод организации процесса модернизации.

Методика планирования процесса модернизации информационно-управляющей системы

Основными недостатками предлагаемого выше математического аппарата являются:

− высокая зависимость его от сложности организационной структуры ИУС;

− громоздкость выражений для ИУС со сложной структурой, затрудняющих их использование для проведения исследований и практических расчетов.

Однако первый недостаток легко устраним за счет декомпозиции сложной структуры на сравнительно простые двухуровневые организационные структуры, если есть необходимость учитывать финансовые и временные затраты, а также оценивать свойства ИУС, такие как живучесть и надежность. В этом случае применение этого математического аппарата вполне оправдано для проведения исследований.

Чтобы облегчить процесс исследования оргструктур в рамках методики, авторами была разработана программно-реализованная модель оценки эффективности функционирования ИУС с элементами визуализации. Она позволяет проводить оценку эффективности функционирования систем управления по трём группам показателей: вероятностным, временным и стоимостным, а результаты расчётов обладают достаточной точностью и достоверностью для того, чтобы на их основе можно было обосновать предложения по модернизации существующих ИУС.

На основе предлагаемого математического аппарата разработан алгоритм в [1] (приложение, п.12), в соответствии с которым составлена программа модели на языке С++ Bilder (рис.4).

Компьютерная модель имеет два «окна» (интерфейса) с элементами визуализации, используя которые можно исследовать и сравнивать между собой до восьми двухуровневых структур, так как результаты накапливаются и отображаются разными цветами.

В качестве входных данных для модели используются следующие переменные:

1. Число ПУ на каждом уровне управления и матрица связей (связности) между ними;
2. Вероятности безошибочного и своевременного решения задач управления пунктами управления системы ;
3. Вероятности безошибочной передачи информации каналами связи системы ;
4. Время решения задач управления пунктами управления , с;
5. Время передачи информации по каналам связи , с;
6. Стоимость создания (модернизации, эксплуатации) пунктов управления , усл.ед.;
7. Стоимость создания (модернизации, эксплуатации) каналов связи , усл.ед.;

В качестве выходных данных модели приняты следующие показатели:

1. Вероятность своевременного и безошибочного решения задач управления системой управления ;
2. Стоимость создания (модернизации, эксплуатации) системы управления , усл.ед.;
3. Время решения задач управления системой управления , с.
4. Эффективность функционирования системы управления .

Для упорядочения процесса расчётов в данной модели приняты следующие допущения и ограничения:

1. Вероятностные показатели задаются в числовой форме, в долях единицы, с точностью до сотых долей единицы: → [0…1];

Рис. 3. Методика планирования процесса модернизации ИУС

2. Стоимостные показатели задаются в числовой форме, в количестве условных денежных единиц, с точностью до 1 у.е.:

3. Временные показатели задаются в числовой форме, в секундах, с точностью до секунды: → [0…10 ⁶ с];

4. Эффективность функционирования системы управления рассчитывается в процентах;

5. В организационной структуре системы управления допускается наличие субординационных, координационных и резервирующих связей;

6. В организационной структуре системы управления допускается не более двух уровней управления;

7. Максимальное число пунктов управления в модели ограничено, не более чем по 9 ПУ на каждый уровень управления;

8. Для упрощения модели влияние окружающей среды на систему управления не учитывается, то есть функционирование системы зависит только от внутрисистемных процессов;

9. Все результаты расчётов округляются с точностью до сотых долей в сторону увеличения.

Во втором «окне» модели ( в левом нижнем углу, рис. 3) в матрице связей (связности) есть возможность задавать тип связей между ПУ, то есть изменять организационную структуру исследуемой ИУС, которая отображается в верхней части «окна». «1» означает резервирующую связь. Новая организационная структура автоматически отображается в виде графа вверхнейцентральной части «окна». Затем выбрав оцениваемый показатель ( в правом верхнем углу, — «исходные

Рис. 4 «Окно» (интерфейс) модели с результатами оценивания эффективности функционирования ИУС для синтезируемых оргструктур (красного цвета) данные») и нажав кнопку «расчет» получаем оценку показателя в процентах.

На рисунке 4 зеленым цветом отображаются значения исходных показателей исследуемых структур ИУС.

Таким образом, разработанная модель в рамках предлагаемой методики значительно облегчает исследователю получение оценок эффективности функционирования систем управления по трём группам показателей — вероятностным, временным и стоимостным, а результаты расчётов обладают достаточной точностью для того, чтобы на их основе можно было обосновать предложения по модернизации существующих систем управления. Кроме этого, отображаются в виде графа все исследуемые организационные структуры в соответствии с матрицей связности.

Заключение

В заключение следует отметить, что сформулированная выше, методика позволяет сочетать аналитические методы получения оценок показателей и результаты использования разработанной программно-реализованной компьютерной модели, что облегчает получение рационального априорного плана проведения модернизации (матрицу назначений) ИУС, обеспечивающего максимальную эффективность её функционирования. А также упрощает процесс распределения ресурсов, направленных на модернизацию (структурное резервирование ПУ) ИУС. Может использоваться для решения задачи выбора варианта структурного резервирования ПУ в процессе модернизации ИУС или создания перспективных.

Литература:

1. Матюшенко А. А. Модели и методы обоснования структур сложных систем … управления. Монография. — СПб.: ВКА имени А. Ф. Можайского. 2015. — с. 86 ÷ 93 (н/c).
2. Матюшенко А. А., Хведелидзе Г. Э., Смирнов М. С. Методика формализации задач управления системы управления … Труды ВКА им.А. Ф. Можайского, Третий выпуск, 641. Декабрь. — СПб.; ВКА имени А. Ф. Можайского, 2013. — с.120–124.
3. Матюшенко А. А. и др. Особенности обоснования организационных структур при их многоструктурном анализе. — СПб,: Труды ВКА им. А.Можайского. Выпуск 630. Часть 2. Март 2011 г. — с 247–251. Инв. 335370.
4. Матюшенко А. А. Особенности оценивания показателей качества функционирования сложных систем управления для различных видов их организационных структур. Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России № 1(33), январь 2007 г. — СПб.: УМВД, 2007.
5. Матюшенко А. А. Методика комплексного анализа организационных структур сложных систем управления. Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Выпуск 179. — СПб.: ГЛТА, 2007.
6. Матюшенко А. А. Методы комплексного анализа сложных систем управления ГПС МЧС. Вестник Санкт-Петербургского института государственной противопожарной службы. № 4, декабрь.– СПб.: ИГПС, 2006.– 12 с.
7. 7 .Системный анализ и принятие решений. Словарь — справочник. Учебное пособие для вузов/Под ред. В. Н. Волковой, В. Н. Козлова — М.: Высшая школа, 2004. — 616 с.
8. Владимирский Б. М., Горстко А. Б., Ерусалимский Я. М. Математика. Общий курс. Учебник для вузов. — СПб.: Издательство «Лань», 2002.
9. Кузнецов О.П, Адельсон-Вельский Г. М. Дискретная математика для инженера.–М.: Энергия, 1980.
10. Багрецов С. А., Везиров В. Н., Львов В. Н. и др. Технология синтеза организационных структур сложных систем управления. — М.: Академия оборонных отраслей промышленности, 1998.– 245 с.
11. Волкова В. Н., Денисов А. А. Основы теории систем и системного анализа: Учебник для студентов вузов. — СПб., Издательство СПбГТУ, 1997.
12. Шубинский И. Основы анализа сложных систем. Конспект лекций. ПВУРЭ ПВО, Пушкин -1988.
13. Лагоша Б. А., Шаркович В. Г., Дегтярева Т. Г. Методы и модели совершенствования организационных структур. — М.: Наука, 1986.
14. Овсиевич Б. Д. Модели формирования организационных структур. — Л.: Наука,1979.
15. Справочник по исследованию операций./ Под общей редакцией Ф. А. Матвейчука — М.: Воениздат, 1979. с 102–107.
16. Михно М. К., Рыбаков Л. А. Формирование организационных структур АСУ.–М.: Экономика, 1977.- 86 с.