Разработка и исследование теоретических основ синтеза технологий и программ проактивного управления функционированием и модернизацией сложных технических систем

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-19-00767

НазваниеРазработка и исследование теоретических основ синтеза технологий и программ проактивного управления функционированием и модернизацией сложных технических систем

Руководитель Зеленцов Вячеслав Алексеевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем

Ключевые слова Сложная техническая система, модернизация, системно-кибернетический и сервис-ориентированные подходы, комплексное моделирование, комплексное планирование, многокритериальный динамический структурно-функциональный синтез, структурная динамика, интеллектуальное управление, предсказательное моделирование, сервис-ориентированная архитектура, проактивное управление информационными процессами, проактивное управление материальными процессами, комбинированные методы многокритериальной оптимизации

Код ГРНТИ50.47.02

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В рамках проекта основным объектом исследования являются сложные технические системы (СТС), которые входят, как правило, в состав сложных организационно-технических систем (СОТС), где уже непосредственно присутствуют субъекты (социальные структуры). В гранте в качестве прикладных примеров рассматриваются существующие и перспективные СТС, используемые в авиационно-космической и транспортно-логистической сферах применения. Они характеризуются большой размерностью, нестационарным и нелинейным функционированием, многомерностью, полиструтурностью, неопределенностью, иерархически-сетевой организацией, избыточными связями, разнообразием реализуемых в них функций, задач и процессов, мобильностью, неоднородностью и пространственной распределенностью компонентов. Объективно основные элементы и подсистемы СТС (например, материальные, энергетические, информационные ресурсы и т.п.) на всех этапах жизненного цикла (ЖЦ) подвержены физическому и моральному старению, что приводит к необходимости проведения их планомерного обновления или, другими словами, модернизации. При реализации данного этапа жизненного цикла (ЖЦ) СТС (этапа модернизации) переход от «старого» (существующего) варианта СТС к «новому» (модернизированному) варианту СТС не может быть проведен мгновенно. Это на практике приводит к тому, что на достаточно длительном интервале времени (периоде модернизации СТС) происходит совместное функционирование элементов и подсистем существующей и «новой» СТС. При этом весьма важно, чтобы в этих условиях, показатели качества и эффективности целевых и обеспечивающих процессов, происходящих в модернизируемой СТС, планомерно улучшались по сравнению со «старым» вариантом ее функционирования. Однако для этого необходимо заранее решить комплекс взаимосвязанных научно-технических задач, в состав которых должны войти: задача структурно-функционального синтеза нового облика модернизируемой СТС; задача определение срока, к которому необходимо завершить модернизацию; задача синтеза технологий проведения модернизации СТС; задача синтеза комплексного плана функционирования и модернизации СТС; задача синтеза управляющих воздействий, обеспечивающих реализацию совместного плана функционирования и модернизации СТС. Главная особенность и сложность их решения состоит в следующем. Определение оптимальных программ управления элементами и подсистемами СТС при их параллельном функционировании и модернизации может быть выполнено лишь после того, как станут известными перечень и структура взаимосвязей указанных элементов и подсистем, в которых будут реализованы соответствующие функции и алгоритмы управления материальными, энергетическими и информационными процессами, происходящими в СТС на рассматриваемом этапе их жизненного цикла. В свою очередь, распределение функций и алгоритмов по элементам и подсистемам СТС зависит от структуры и параметров законов управления данными элементами и подсистемами, а также процессами, происходящими в них. Трудность разрешения данной противоречивой ситуации усугубляется тем, что под действием различных причин во времени изменяется состав и основные структуры СТС на различных этапах ЖЦ. Анализ результатов, полученных зарубежными и отечественными учеными при решении перечисленных выше задач, показал, что они содержат теоретические и практические разработки, нацеленные на изолированное решение задач синтеза технологий и планов функционирования и модернизации отдельных элементов и подсистем СТС, а также их исключительно фрагментарное согласование. Указанный уровень исследований традиционно объясняется большой размерностью рассматриваемых задач, наличием структурной динамики СТС, а также сложностью учета факторов многокритериальности при оценивании эффективности СТС в условиях неопределенности и воздействия факторов внешней среды. Следовательно, особую актуальность и значимость сегодня приобретает постановка и решение новой научно-технической проблемы разработки методологических и методических основ совместного решения задач многокритериального синтеза технологий и программ (планов) проактивного управления функционированием и модернизацией СТС для различных сценариев изменения внешней обстановки. В данном научном проекте предлагается новая системно-кибернетическая методология, а также комплекс логико-динамических моделей, методов, алгоритмов и методик комбинированного совместного решения рассматриваемых в гранте задач, базирующихся на фундаментальных и прикладных результатах, полученных к настоящему моменту времени в междисциплинарной отрасли системных знаний и, прежде всего, в таких ее направлениях как системология, неокибернетика и информатика. Опора на подобный комплексных подход, а не на предложенные ранее частные решения, позволит обеспечить доказательное обоснование полноты, замкнутости и непротиворечивости результатов, которые планируется получить в ходе выполнения данных исследований.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Мурашов Д.А., Ушаков В.А. Постановка и анализ путей решения задачи синтеза программ управления и параметров информационно-вычислительной сети на основе полимодельного описания Авиакосмическое приборостроение, №8, с. 23-32 (год публикации - 2022)
10.25791/aviakosmos.8.2022.1293

2. Вивчарь Р.М., Птушкин А.И., Соколов Б.В. Методика многокритериального оценивания эффективности функционирования стохастических сложных технических систем Авиакосмическое приборостроение, №7, с. 3-14 (год публикации - 2022)
10.25791/aviakosmos.7.2022.1286

3. Зеленцов В.А., Ковалев А.П. Оценивание эксплуатационных затрат при расчете совокупной стоимости владения распределенными техническими комплексами Изв. вузов. Приборостроение, №11,т. 65, с.789-795 (год публикации - 2022)
10.17586/0021-3454-2022-65-11-789-795

4. Лукинский В., Лукинский В., Иванов Д., Соколов Б., Базина Д. A probabilistic approach to information management of order fulfilment reliability with the help of perfect-order analytics International Journal of Information Management, Volume 68, Febrary; on-line August (год публикации - 2022)
10.1016/j.ijinfomgt.2022.102567

5. Скобцов В.Ю., Соколов Б.В. Гибридные нейросетевые модели в задаче мультиклассовой классификации данных телеметрической информации малых космических аппаратов Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии, №3, с. 93-114 (год публикации - 2022)
10.17308/sait/1995-5499/2022/3/99-114

6. Соколов Б., Захаров В., Мурашов Д., Мурашова М. An Approach to Fusing Strategic Objectives into Agent-Level Decision Making in Load Balancing Proceedings of the Sixth International Scientific Conference “Intelligent Information Technologies for Industry” (IITI’22). IITI 2022. Lecture Notes in Networks and Systems, Vol. 566, p. 519-528 (год публикации - 2022)
10.1007/978-3-031-19620-1_49

7. Потрясаев С. А., Соколов Б. В., Степанов П. В., Стыскин М. М. Разработка и внедрение отечественных интеллектуальных наземных транспортно-технологических средств обслуживания самолетов в едином цифровом пространстве аэропорта Конференция «Информационные технологии в управлении» (ИТУ-2022). Сборник материалов. 5 – 6 октября 2022 г., С. 108-110 (год публикации - 2022)

8. Ковтун В.С., Соколов Б.В., Охтилев М.Ю., Юсупов Р.М. Отечественная информационно-аналитическая платформа проактивного управления жизненным циклом сложных технических объектов Восьмой Белорусский космический конгресс, 25–27 октября 2022 года, Минск: материалы конгресса: в 2 т. — Минск: ОИПИ НАН Беларуса, 2022. — Т.1., Т. 1, с. 72-75 (год публикации - 2022)

9. Соколов Б.В., Миронов А.Н., Шестопалова О.Л. Проактивная модернизация информационных систем на основе мониторинга функционального устаревания Вестник Воронежского государственного университета. Серия: Системный анализ и информационные технологии, №2, с. 5-21 (год публикации - 2023)
10.17308/sait/1995-5499/2023/2/5-21

10. Кимяев И.Т., Соколов Б.В. Проблемы и методические подходы к повышению жизнеспособности производственных объектов на основе концепции эволюционного управления Информационные технологии, Т.29. №1. С.23-32 (год публикации - 2023)
10.17587/it.29.23-32

11. Павлов А.Н., Колесник Д.Ю., Гордеев А.В., Воротягин В.Н. Исследование потенциальных возможностей системы управления движением и навигации малого космического аппарата в условиях существенной неопределенности реализации режимов ориентации Авиакосмическое приборостроение, №8. С. 23-37 (год публикации - 2023)
10.25791/aviakosmos.8.2023.1355

12. Зеленцов В.А., Пиманов И.Ю., Потрясаев С.А. Интеграция разнородных информационных ресурсов и данных дистанционного зондирования земли при мониторинге и управлении развитием территорий Информатика и автоматизация, Т. 22. № 4. С. 906-940 (год публикации - 2023)
10.15622/ia.22.4.8

13. Юсупов Р.М., Соколов Б.В., Захаров В.В., Семенов А.И. Petri net dynamic interpretation Proceedings of the 35th European Modeling & Simulation Symposium (EMSS 2023), 20th International Multidisciplinary Modeling & Simulation Multiconference, 5 (год публикации - 2023)
10.46354/i3m.2023.emss.014

14. Вивчарь Р.М., Птушкин А.И., Соколов Б.В. Методика оценивания адекватности статистических имитационных моделей Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математика. Механика. Физика, Т. 15. № 3. С. 5-14 (год публикации - 2023)
10.14529/mmph230301

15. Юсупов Р.М., Соколов Б.В., Захаров В.В. Основы теории проактивного управления функционированием и модернизацией сложных технических объектов XVI Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (МКПУ-2023). Материалы мультиконференции, С.86-89 (год публикации - 2023)

16. Охтилев М.Ю., Охтилев П.А., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Концепции и технологии проактивного управления жизненным циклом сложных технических объектов на судостроительном предприятии Седьмая международная научно-практическая конференция «Имитационное и комплексное моделирование морской техники и морских транспортных систем» (ИКМ МТМТС-2023). Труды конференции., CС. 163-168 (год публикации - 2023)

17. Соколов Б.В., Юсупов Р.М., Охтилев М.Ю., Охтилев П.А. Комплексное моделирование, автоматизация и интеллектуализация проактивного управления жизненным циклом сложных объектов Одиннадцатая всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделирования и его применению в науке и промышленности «Имитационное моделирование. Теория и практика» (ИММОД-2023). Труды конференции, С. 65-67 (год публикации - 2023)

18. Зеленцов В.А. Методический подход к интегральному оцениванию качества трудно-формализуемых объектов Известия высших учебных заведений. Приборостроение, Т. 67, № 2. С. 122—132 (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454-2024-67-2-122-132

19. Зеленцов В.А., Павлов А.Н. Распределение требований к надежности функциональных элементов бортового оборудования космического аппарата с учетом возможности их реализации Авиакосмическое приборостроение, 2022. № 12. С.3-13 (год публикации - 2023)
10.25791/aviakosmos.12.2022.1310

20. Захаров В.В., Баранов А.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Модели и алгоритмы централизованного и децентрализованного планирования применения группировки подвижных объектов на основе теории дифференциальных игр Морские интеллектуальные технологии, №4. Част 1. С. 171-178 (год публикации - 2023)
10.37220/MIT.2023.62.4.021

21. Охтилев М.Ю., Охтилев П.А., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Методологические и методические основы проактивного управления жизненным циклом сложных технических объектов Изв. вузов. Приборостроение, №11, т. 65, с. 781-788 (год публикации - 2022)
10.17586/0021-3454-2022-65-11-781-788

22. Соколов Б.В., Степанов П.В., Юсупов Р.М., Калинин В.Н. Модельно-алгоритмическое и программно-информационное обеспечение проактивного управления группировкой интеллектуальных транспортно-технологических средств Известия высших учебных заведений. Приборостроение, Т. 67, № 11. С. 909-917 (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454-2024-67-11-909-917

23. Соболевский В.А., Михайлов В.А. AutoML Technologies for Animal Monitoring International Journal of Artificial Intelligence, Volume 22, issue 2, pp. 92-107 (год публикации - 2024)

24. Кимяев И. Т., Соколов Б. В. Методология обеспечения жизнеспособности сложного объекта на основе управления его структурной динамикой Мехатроника, автоматизация, управление, Т. 25, № 4. С. 167-176 (год публикации - 2024)
10.17587/mau.25.167-176

25. Соболевский В.А. Использование технологий AutoML для решения задач мониторинга Информатизация и связь, №. 1. С. 90-97 (год публикации - 2024)
10.34219/2078-8320-2024-15-90-97

26. Кофнов О.В., Захаров В.В., Соболевский В.А., Соколов Б.В. System and management interpretation of the processes of creation and use of digital twins of complex technical objects Proceedings - European Council for Modelling and Simulation, Communications of the ECMS Volume 38, Issue 1, June 2024. Proceedings - European Council for Modelling and Simulation, ECMS 2024, Cracow, Poland June 4th - June 7th, 2024 (год публикации - 2024)
10.7148/2024

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Разработан комплекс статических и логико-динамических моделей (ЛДМ) планирования конфигурации и реконфигурации БС МКА (или, по-другому, проактивного управления структурной динамикой БС МКА ДЗЗ) с учетом их многорежимного функционирования, а также заданных сценариев модернизации их программно-математического обеспечения. 2. Разработан комплекс комбинированных алгоритмов планирования конфигурации и реконфигурации БС МКА с учетом заданных сценариев модернизации их программно-математического обеспечения, включающий в себя: • алгоритмы расчета значений показателей надежности и живучести СУД МКА ДЗЗ, структурной значимости ФЭ БС МКА, и алгоритмы планирования (программного управления) процессом функционирования и модернизации ПМО СУД МКА ДЗЗ на основе комбинирования метода последовательных приближений и ветвей и границ; алгоритм оперативного оценивания показателя надежности СУД МКА с учетом структурно-функциональных и структурно-технологических особенностей. • алгоритм многокритериального структурно-параметрического синтеза конфигураций СУД МКА в условиях заданной или неизвестной циклограммы реализации режимов ориентации. Для преодоления критериальной неопределенности предложен комбинированный метод, включающий интервальный лексикографический метод (метод уступок) и операторное решающее правило. • алгоритм оценивания показателей живучести для вариантов конфигурации СУД МКА ДЗЗ в условиях деструктивных воздействий среды, позволяющий определять различные траектории реконфигурации варианта структуры СУД МКА, имитируя случайные отказы ФЭ. При этом оптимистические и пессимистические траектории будут соответствовать сценариям, при которых обобщенный показатель живучести СУД МКА принимает соответственно наибольшее и наименьшее значения. Для нахождения указанных траекторий был предложен метод случайного направленного поиска. • алгоритм планирования конфигурации и реконфигурации вариантов СУД МКА ДЗЗ в условиях заданной или неизвестной циклограммы реализации режимов ориентации. Алгоритм планирования конфигурации и реконфигурации СУД МКА в условиях неизвестной циклограммы реализации режимов ориентации представляет собой последовательность шагов, необходимых для решения задачи выбора рабочей конфигурации СУД МКА. 3. Разработан комплекс статических и логико-динамических моделей (ЛДМ) многокритериального планирования информационных процессов (ИнП) при взаимодействии бортовых и наземных комплексов управления (БКУ и НКУ) орбитальной группировкой (ОГ) МКА ДЗЗ при их функционировании и модернизации. 4. Разработаны алгоритмы планирования ИнП при взаимодействии БКУ и НКУ ОГ МКА ДЗЗ для статической и динамической моделей, которые были объединены в оригинальный обобщенный комбинированный алгоритм (процедура) оперативного планирования (программного управления) информационных процессов при взаимодействии МКА ДЗЗ. Новизна разработанного комбинированного алгоритма состоит, во-первых, в системно-управленческой интерпретации исследуемых процессов, во-вторых, в оригинальном формальном описании сложных пространственно-временных, технических, технологических, ресурсных ограничений, основанном на конструктивном объединении достоинств математический аппарат исследования операций и теории оптимального управления (ТОУ) при синтезе планов (выборе информационных технологий), а также программ управления информационными процессами. 5. Проведенные эксперименты показывают, что получение конечным потребителем максимального количества информации (обработанных данных) при минимальных потерях в общем случае происходит, если использовать в составе ОГ специализированные МКА ДЗЗ в смешанном составе (50% «обработчиков»-МКА, специализирующихся на обработке поступающих данных и информации и 50 % «ретрансляторов» МКА, специализирующихся на приеме/передаче данных и информации). Важнейшим элементом БКУ каждого МКА ДЗЗ является запоминающее устройство (ЗУ), которое позволяет минимизировать потери данных и информации, если результаты съемки не удалось передать в заданный узел в рамках текущего подынтервала постоянства структуры. 6. Разработано модельно-алгоритмическое обеспечение и прототип программного модуля решения задач гибкого планирования транспортно-логистических операций, выполняемых группировкой ИТТС сервисного обслуживания судов гражданской авиации на этапах их функционирования и модернизации. Основу созданного модельно-алгоритмическое обеспечения составляет новая АИМ, позволяющая: сгенерировать все возможные комбинации технологий идентификации заданных объектов (конфигурация) на каждом этапе обслуживания судов гражданской авиации группировкой ИТТС; построить допустимое множество конфигураций в соответствии с заданными организационно-стоимостными и технико-технологическими ограничениями; определить техническую структуры (комплектацию ИТТС) для каждой полученной конфигурации; построить распределение множества конфигураций по заданным параметрам; оценить допустимость конфигурации по результатам моделирования, построить квазиоптимальное множество конфигураций для заданных конфигураций и ограничений и осуществить многокритериальный выбор наиболее предпочтительного варианта. Программная реализация полимодельного комплекса осуществлена посредством инструментального средства CPN Tools. С использованием разработанного в проекте ИМС решены две прикладные задачи: задача оперативного планирования группового взаимодействия ИТТС при сервисном обслуживании воздушных судов в аэропорте, а также задача проактивного управления функционированием и модернизацией группировкой ИТТС при создании ЕЦП аэропорта. 7. Сформулированы, содержательно и формально описаны следующие основные классы задач, связанные с использованием полученных в проекте научных и практических результатов (в т.ч. прототипа ИМС), при создании и использовании отечественного промышленного Интернета вещей (ПрИ): 1) задачи оценивания и анализа эффективности технологий и программ проактивного управления структурной динамикой ПрИ в интересах повышения их катастрофоустойчивости на различных этапах жизненного цикла (ЖЦ); 2) задачи выбора (синтеза) эффективных технологий и программ проактивного управления структурной динамикой ПрИ в интересах повышения их катастрофоустойчивости на различных этапах ЖЦ. Определена специфика постановки решения данных задач применительно к задачам многокритериального структурно-функционального синтеза технологий и программ проактивного управления материальными и информационными потоками в космическом и сельскохозяйственном промышленном Интернете вещей. Результаты выполнения проекта обсуждались на секции кибернетики имени академика А. И. Берга в Доме Ученых. https://vk.com/video-61440413_456239374?list=ln-7nlcGiWZZ2GRTMvQzP

Публикации

Возможность практического использования результатов
Практическая значимость полученных результатов состоит в том, что они могут быть использованы для разработки новых технологий проведения совершенствования СТС, что в дальнейшем станет основой для повышения их технико-экономической эффективности на всех этапах ЖЦ. Применение разработанного ИМС позволяет повысить показатели оперативности и обоснованности принимаемых управленческих решений, связанных с определением направлений развития существующих и перспективных ОГ МКА ДЗЗ и ИТЛС, имеющих стратегическое значение для обеспечения экономического развития Российской Федерации. Предлагаемая в рамках проекта модельно-алгоритмическая и программная декомпозиция, основанная на принципах сервис-ориентированного подхода, обеспечивает возможность беспрепятственной работы пользователей различных уровней (технологов, бизнес-аналитиков, системотехников, программистов) с разработанным вариантом ИМС для создания функционально, структурно и экономически устойчивых планов функционирования и модернизации СТС, в т.ч. разработке рекомендаций по совершенствованию методов планирования функционирования существующих и перспективных ОГ МКА ДЗЗ, ИТЛС и сельскохозяйственных предприятий на макро, мезо и микроуровнях материальных и информационных потоков. К настоящему времени разработанное в рамках рассматриваемого проекта специальное модельно-алгоритмическое обеспечение (СМАО) планирования функционирования и модернизации системы контроля оборота мобильного оборудования было реализовано на практике в виде соответствующего программного комплекса, который используется при сервисном обслуживании воздушных судов в отечественных аэропортах. Данный результат вошел в состав общей разработки участников данного проекта, связанной с созданием и внедрением отечественных интеллектуальных наземных транспортно-технологических средств обслуживания судов гражданской авиации в едином цифровом пространстве аэропорта и был удостоен премии Правительства РФ в области науки и техники за 2022 г. (Распоряжение Правительства Российской Федерации от 26.10.2022 № 3179-р). Созданный в рамках проекта ИМС и отдельные ПММ в дальнейшем могут быть использованы в различных предметных областях: промышленный интернет вещей, сельскохозяйственный интернет вещей, космический интернет вещей.