Объект управления с нечеткими границами

УДК 681.5.01

В. Г. АБАШИН

V. G. ABASHIN

ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ С НЕЧЕТКИМИ ГРАНИЦАМИ

OBJECT OF MANAGEMENT WITH UNCLEAR BORDERS

В статье дано определение объекта управления с нечеткими границами. Дано понятие нечеткости границ объекта управления. Высказано предположение о возможности применения концепции программного агента для задачи синтеза АСУ объекта управления с нечеткими границами.

Ключевые слова: нечеткие границы объекта управления, программный агент, урбаносфера, Big data.

In the article the definition of the object of control with unclear borders. Given the concept of fuzzy boundaries of the object of control. The author suggests the possibility of the application of the concept of a software agent for the problem of the synthesis of automated control object with unclear borders.

Keywords: fuzzy boundaries of the object of control, the software agent, urbanosfera, Big data.

Повышение производительности вычислительных устройств способствует интеллектуализации современных технических решений, что позволяет ставить перед исследователями задачи по автоматизации и управлению объектами генерирующими значительный объем входной информации (Big data) для АСУ. При формулировании задачи в рамках этой концепции необходимо опираться на принцип структурирования данных NoSQL, использовать инструментарий распределения вычислений в рамках вычислительного кластера, например MapReduce или Hadoop, при сохранении общего подхода к управлению, как воздействию динамической системы на объект управления. На сегодняшний день общего подхода к разработке таких систем не существует.

Одним из важнейших свойств любого объекта управления является наличие его границ, точнее, пограничных состояний, выход за которые позволяет возмущающим воздействиям вызывать разрушение системы. Например, бульдозер выравнивающий землю для создания полотна дороги можно представить как технологический процесс (ТП), в котором ковш срезает слой грунта. Для создания бульдозера производится расчет необходимой жесткости ковша, проходимость гусеничной базы, требуемая мощность двигателя. Такие проблемы как эксплуатация бульдозера в условиях подтопления или частичной исправности машины выносятся за рамки инженерной задачи и доводятся до эксплуатирующих организаций в виде предписаний и условий эксплуатации. Этот подход оправдан, потому что при выполнении работ управление машиной выполняется обученным человеком, способным исходя из текущей ситуации принять решение на каком участке нужно снять грунт, возможна ли эксплуатация машины при её частичном выходе из строя.

Для плывущего корабля возмущающими факторами являются элементы внешней среды течение, волны, ветер, а причиной попадания в пограничное состояние может являться событие попадания на рифы, удар молнии или столкновение с другим судном. После таких событий должна быть произведена идентификация состояния корабля и возможно изменена цель функционирования АСУ с прибытия в пункт назначения, на спасение экипажа или окружающей среды. Получается, что возмущающее воздействие является фактором внутри технологического процесса, а граница технологического процесса это состояние перехода технологического процесса в другое, включая неуправляемое состояние.

Сегодня актуальной задачей является повышение уровня автоматизации ТП, доводя её до уровня автоматических систем. Применяя понятие объекта управления с нечеткими границами в примере с бульдозером, в инженерную задачу следует включить задачу ориентации машины в пространстве, определение условий и фронта планируемых работ, оптимальное время их проведения, обеспечить своевременный ремонт и дозаправку машины, безопасность выполняемых работ. Таким образом, ТП бульдозера включает в себя не только обрабатываемый объект, но и окружающую среду и условия поддержания работоспособности машины. Управлению в таком случае подвергается не только сам технологический процесс, но и часть жизненного цикла устройства или жизненный цикл устройства полностью.

Определим объект управления с нечеткими границами как объект управления динамически меняющий свою структуру, не имеющий четких границ и являющейся частью изменяющейся окружающей среды. Система управления таким объектом также должна динамически изменять свою структуру. В качестве примера приведем гипотетическую электронную одежду, рукав которой содержит устройства съема информации и устройства реализующие управляющее воздействие. По причине выхода из строя, рукав исключается из состава системы управления, возможно безвозвратно, но на основании косвенной информации система управления продолжает контролировать состояние руки находящейся в отключенном рукаве. С другой стороны управление самолетом на разных высотах не является управлением объектом с нечеткими границами, так как в нем изменяются только возмущающие воздействия, а объект управления и система управления остаются неизменны.

Главным отличием объектов управления с нечеткими границами является необходимость формулировки задачи определения границ объекта управления в нечетком виде. Такая постановка задачи относительно реально существующих объектов приводит к необходимости оперирования сверхбольшими наборами данных в режиме реального времени для поддержания работоспособности системы, что невозможно без применения интеллектуальных математических моделей. Автоматизируемые объекты управления с нечеткими границами могут быть распределены во времени при неизвестности зависимости этого временного распределения и требовать непрерывного автоматического управления на протяжении всего жизненного цикла эксплуатации устройства.

Примерами технических решений автоматизированных и автоматических систем управления объектами с нечеткими границами являются автономные и полуавтономные роботизированные комплексы, бытовые роботы, автоматические цеха, технологии создаваемые в рамках концепций «умной город», «умный дом», технологии жизни (многоцелевые программные агенты мобильных устройств).

Рассмотрим простой вариант системы с нечеткими границами объекта управления — бытовой робот-пылесос. Оговорка связана с тем, что в представленных на сегодняшний день моделях объем данных обрабатываемых роботом-пылесосом с трудом можно отнести к сверхбольшим наборам данных. Границы самого убираемого помещения чаще неизменны, однако может изменяться граница территории доступной для уборки из-за забытых вещей или других временно появляющихся преград. Робот-пылесос осуществляет уборку помещения, контроль условий возможности продолжения выполнения уборки помещения (контроль заряда батареи питания, контроль заполнения отдела сбора мусора). Основными элементами в роботе-пылесосе являются: платформа для перемещения по поверхности, механизм ориентации в пространстве, воздушно-всасывающий механизм. Элементы устройства имеют различную аппаратную реализацию. Они питаются от одного источника электроэнергии, но могут функционировать по отдельности. Имеется в виду, что в случае заполнения мусорного бака, устройство не теряет возможности ориентации и перемещения в пространстве. Единственным ресурсом объединяющим все устройства является информационная составляющая, в основе которой данные генерируемые источниками ввода информации о внешней среде и внутреннем состоянии устройства.

Отметим, что в роботе-пылесосе, как в объекте с нечеткими границами информационные процессы структурно не отличаются от таких же процессов происходящих в других технологических процессах, однако объем исходной информации требующей обработки, для объекта управления с нечеткими границами обычно на порядки выше. Например, в обычном пылесосе управление осуществляется несколькими кнопками: включение и отключение электричества, кнопка выбора режима работы пылесоса, кнопка выбора режима работы щетки и кнопка сбора шнура питания (если он есть). Если предположить что каждая кнопка имеет два состояния, то обычный пылесос имеет 16 состоянии. В то время, как для работы роботизированного пылесоса Roomba 500 фирмы iRobot используются микропроцессоры ARM архитектуры с тактовой частотой 8 МГц и производительностью 4 миллиона операций в секунду[1]. Недостающую вычислительную мощность обычного пылесоса дополняет человеческий интеллект.

Важным свойством технологического процесса является строгая детерминация этапов от момента начала процесса до получения требуемого результата. Также, присутствует четко определенное время выполняемой работы. Примером может являться процесс работы пресса волковой штамповки, который включается при наличие всех необходимых для его работы ресурсов. Работа выполняется в определенной последовательности под управлением оператора пресса и завершается отключением станка. В случае управления объектом с нечеткими границами детерминация этапов процессов не всегда возможна. Приведем пример из области Интернет-технологий. При оказании информационных услуг в сети Интернет при помощи вэб-сервера, на стороне сервера не известно какие услуги будут затребованы и в какое время, поэтому работоспособность сервера поддерживается круглосуточно. При этом происходят суточные колебания нагрузки на сервер, в связи с биологическими ритмами людей. Эти колебания нагрузки на сегодняшний день не учитываются, а это приводит к неоптимальному расходу энергии и ускорению выработки аппаратного ресурса серверов.

С точки зрения теории управления смысл управления объектом с нечеткими границами не изменяется. Управление рассматривается как целенаправленный перевод системы из текущего состояния в требуемое. Объектом управления является динамическая система любой природы преобразующая ресурсы в продукцию и находящаяся под воздействием факторов, переводящих систему в недопустимые состояния. Объект управления и система управления находятся в некоторой среде, в которую входят составной частью[2]. Реализация управления объектом с нечеткими границами также невозможна без достаточной информации о цели управления, возмущениях среды, текущем состоянии и свойствах объекта управления.

Для определения границ объекта управления с нечеткими границами необходимо иметь информацию о влиянии каждого элемента или фактора его формирующего на возможность достижения цели системы управления таким процессом. Чем меньше элемент процесса влияет на достижимость цели процесса, тем меньше значение его функции принадлежности нечеткому множеству, соответствующему объекту управления. Элементы и факторы имеющие степень принадлежности объекту управления равную 1, являются обязательными и отсутствие одного из них делает управление невозможным. Рассмотрим следующий пример. Пусть для некоторого объекта управления с нечеткими границами, являющегося ТП требуется подача воды со скоростью из определенного диапазона значений. Продолжение ТП возможно при подаче воды с разной скоростью указанного диапазона, однако скорость влияет на продолжительность ТП. В этом случае факт подача воды имеет степень принадлежности ТП равна 1, а скорость её подачи может иметь различную степень принадлежности. В зависимости от скорости подачи воды система управления может изменять интенсивность процесса в более широком диапазоне, не останавливая его из-за отсутствия оптимальной характеристики подачи воды.

Цель управления объектом управления с нечеткими границами может меняться по ходу действий. Например, автоматизированная система управления кораблем во время его движения способствует достижению нескольких целей, наиболее важными из которых являются обеспечение безопасности экипажа и достижение пункта назначения. Нарушение границы объекта управления вследствие столкновения с другим судном, требует идентификации состояния корабля и выбора приоритетной цели для её дальнейшей реализации. Идентифицировав угрозу жизни и здоровью людей находящихся на борту корабля принимается решение об отмене цели следования к пункту назначения и переориентации всех ресурсов на достижение цели спасение людей находящихся на борту. Если до аварии безопасность оценивалась как высокая, после аварии состояние безопасности мгновенно изменяется на неудовлетворительное. В этом случае система описывается не только стохастическим характером возмущающих воздействий, но и прослеживается нелинейная зависимость закона управления безопасностью людей на борту. Подобные системы относятся к сложным системам управления для построения которых не существует универсального математического аппарата. Управление в них осуществляется с помощью адаптивного управления, которое кроме задачи оптимизации показателей качества управления на основании текущей идентификации объекта управления решает задачу целеопределения функционирования системы управления. В компьютерных науках существует концепция, основой которой является посредник между двумя элементами системы, который может быть источником действия. Этот посредник называется программный агент. Агенты не запускаются для решения конкретной задачи, а активизируются самостоятельно, представляя результат своей работы. Высказывается предположение о том, что на основе программных агентов возможен синтез систем управления объектами управления с нечеткими границами.

Качество систем управления объектами управления с нечеткими границами характеризуется, устойчивостью, инвариантностью и другими свойства, в зависимости от информационной составляющей, типа сигнала, заложенного энергетического принципа, принципа управления.

Применение понятия объекта управления с нечеткими границами позволяет по новому формулировать проблемы автоматизации. Например, определив понятие персональной урбаносферы как среду обитания конкретного человека в условиях города, проблемы автоматизации персональной урбаносферы можно объединить в рамках концепции программного агента, базирующиеся на биометрической информации или биометрического программного агента. Целью биометрического программного агента является обеспечение конкретного человека всеми видами ресурсов в условиях урбаносферы и балансировку распределения ресурсов между всеми жителями территории.

Автор считает что проблема управления объектами с нечеткими границами требует уточнение определений данных в этой статье, формализации проблемы, моделирования и детального исследования. Изучение таких процессов позволит лучше понять принципы построения АСУ слабоформализуемых процессов и расширить возможности автоматизации как на производстве, так и в других областях жизнедеятельности человека, за счет расширения областей применения средств автоматизации, а значит повышения уровня автоматизации и уменьшения негативного влияния человеческого фактора на управление слабоформализуемыми объектами различной природы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Thong (Tum) Nguyen. Fixing a dead Roomba 500/570 [Электронный ресурс] / Сайт — техноблог Thong (Tum) Nguyen. URL: http://www. /2008/fixing-a-dead-roombano-lights/ (Дата доступа: 28.04.2013).

2. Советов, основы автоматизированного управления: Учебник для вузов [Текст] / , , . — М.: Высш. шк., 2006. — 463 с.: ил.

3. Теория автоматического управления: Учеб. для вузов [Текст] / , , и др.; Под ред. . — 2-е изд., перераб. — М.: Высш. шк., 2005. — 567 с.: ил.

ФГБОУ ВПО "Госуниверситет-УНПК", г. Орел

Доцент кафедры "ПМиИ", к. т.н., доцент, докторант

Тел.: +7(9

E-mail: *****@***ru