Моделирование неопределенности ситуаций в имитационной прогнозирующей модели
Разработка имитационных методов исследования динамики функционирования сложных производственных систем является одной из актуальных прикладных проблем общей теории систем. Трудности, связанные с решением этой проблемы, обусловлены рядом факторов, к которым следует отнести в первую очередь следующие: наличие достаточно большого числа взаимосвязанных элементов со сложными структурными и функциональными отношениями между ними, жизнедеятельность отдельных подсистем (технологических кустов или цехов) не носит полностью самостоятельного характера и обусловлена местом в системе в целом, однако, взаимовлияние и связи между элементами разных подсистем могут быть значительно слабее связей между элементами внутри подсистем; функционирование отдельных элементов может происходить асинхронно, правила взаимодействия их описываются сложными логическими условиями; неопределенность поведения отдельных элементов или групп элементов может носить нечеткий характер. Эти обстоятельства привели к необходимости разработки качественно нового подхода к имитационному моделированию поведения сложных производственных систем и процессов в условиях неопределенности.
Предлагаются две модификации имитационной прогнозирующей модели для оперативно-диспетчерского управления: детерминированная и учитывающая неполную определенность исходных и возникающих при моделировании ситуаций.
|
|
Неопределенность данных при оперативно-диспетчерском управлении и устранении критических ситуаций часто имеет место в условиях дефицита времени. Не все данные могут быть в наличии, некоторые могут подвергаться сомнению, а часть знаний, необходимых для интерпретации имеющихся данных, может оказаться ненадежной.
В процессе моделирования неопределенность возникает также при учете и моделировании в ММ некоторых корректирующих и координирующих действий производственного персонала и самого диспетчера при реализации прогнозирующей модели.
Целью прогнозирования, как уже отмечалось, является получение оценки уровня производства, ритмичности производственного процесса, выявление и предвидение возможных неустранимых узких мест и критических ситуаций. Однако, в процессе реализации ИМ в производственных участках и узлах могут возникнуть узкие места, устранимые определенными стандартными действиями персонала.
Стандартность и определенность набора действий не предполагает определенность безусловного принятия конкретного решения в данной ситуации. В реальных условиях существует поле выбора и возможность принятия того или иного решения определяется уровнем определенности, степенью принадлежности и адекватности тех или иных элементов или структурных решений возникающей ситуации. Именно эта неопределенность, помимо неполной определенности исходных ситуаций, вносится в ИМ при моделировании некоторых действий производственного персонала.
|
|
При реализации сетевыми методами детерминированной ИМ в какой-то мере происходит идеализация состояния процесса и управляющих действий, имеющих преимущественно два определенных состояния, например "в-из", "подключено-отключено", "работает-неработает", "допустимый-недопустимый" и т.д., которые описываются в четких действительных границах путем фактического упрощения реальных процессов. Поэтому для отражения неполной определенности реальных сетевых систем разрабатываются различные реализации стохастических и нечетких сетей.
Для моделирования неопределенности в прогнозирующей ИМ для диспетчерского управления предлагается подход, связанный с реализацией нечетких СП [2,70].
Нечеткая СП используется для описания как не полностью определенной исходной ситуации на объекте перед прогнозированием на ИМ, так и некоторых управляющих и координирующих действий производственного персонала в принципе прогона ИМ. Учет этого ряда неопределенности и обобщение сети позволяет формализовать субъективные знания для реализации в модели. Кроме того, на практике наблюдается размывание условий, при которых возможны переключения, некоторые допущения относительно интенсивности производственных процессов.
|
|
Т.о., одно из возможных обобщений СП связано с реализацией в них дополнительных свойств, которые позволили бы описывать неопределенность поведения сиcтемы в процессе ее функционирования и неопределенность, возникающую при моделировании некоторых управляющих и корректирующих действий персонала в процессе эксплуатации производственной системы.
Прежде, чем дать описание нечеткой СП, введем некоторые понятия и опишем специфические дополнения СП, позволяющие более адекватно моделировать производственный процесс в нашем случае.
Множество переходов СП, моделирующих технологические установки, связано между собой через позиции СП, моделирующие сырьевые, промежуточные и товарные резервуары. Однако, в действительности, установки связаны не через отдельные резервуары, а через группы резервуаров, которые для двух установок, связанных между собой, являются в одном случае выходными, а в другом - входными. Т.е. ко входу и выходу установки соотнесены соответствующие группы резервуаров по продуктам. При моделировании процесса при помощи детерминированной СП мы допускаем упрощение и рассматривали в качестве позиции группу резервуаров. Но при вмешательстве человека происходит переключение не групп резервуаров, а отдельных резервуаров внутри группы. Поэтому в СП мы будем рассматривать сложные позиции, элементами которых являются резервуары данной группы.
|
|
Т.о.:
р - конечное множество сложных позиций;
р i - конечное множество элементов i-ой сложной позиции;
Z - конечное множество всех элементов всех сложных позиций СП;
- k-ый элемент i-ой сложной позиции;
Îpi, i=1, N; k=1,K;
N - общее количество сложных позиций, N > о;
K - количество элементов в i-ой сложной позиции, K > о;
Р i является одновременно сложной позицией и элементом множества сложных позиций Р
P={P1,P2,…,PN}.
Каждая технологическая установка процесса (переход СП) характеризуется нагрузкой на входе и соотношением потоков продуктов на выходе, т.е. рецептурой. Рецептура определяется различными коэффициентами отбора и зависит от качества сырья, сорта продукта и других производственных условий.
В детерминированной СП мы не учитываем многовариантность работы переходов. Регулирующие воздействия персонала позволяют из множества рецептур и возможных нагрузок выбирать те, которые в наибольшей степени соответствуют семантическому содержанию переходав данной ситуации. Эти регулирующие воздействия также возможно моделировать при помощи нечеткой СП в процессе реализации ММ.
Т.о. нечеткая СП, являющаяся обобщением четкой сети, для нашего случая описывается следующим образом
.
Рассмотрим основные компоненты нечеткой СП:
множество нечетких сложных позиций,
определяется совокупностью пар
Функция принадлежности является субъективной мерой того, насколько элемент Îpi соответствует ситуации, интерпретируемой
и формализуемой для этой переменной нечетким множеством .
В процессе моделирования действий по устранению критических ситуаций возможны две формы реализации функции принадлежности, поэтому она определяется следующим образом
где
Поэтому функция имеет максимальное значение для резервуаров с минимальным уровнем заполнения, и значение равное нулю при максимальном уровне продукта в резервуаре. Характер распределения кривой в этом интервале определяется эмпирически.
Соответственно, функция имеет максимальное значение для резервуаров с максимальным заполнением, и значение, равное нулю в
обратном случае.
Здесь необходимо отметить, что носителем нечеткого множества является конечное множество , каждый элемент которого представляет собой численные значения диапазонов изменения уровней в резервуарах:
Т.о. функции принадлежности рассматриваются как различные оценки возможности подключения резервуаров в данном варианте структурной реализации процесса в сложившейся ситуации. Эти оценки определяются заранее экспертным путем для различных ситуаций и структурных реализаций.
- множество нечетких переходов, характеризующих определенные режимы работы установок при переработке продукции из входной позиции и передачи ее в выходную в соответствии с маркировкой.
Режим работы j-ой установки моделируется в СП как режим расчета выходных показателей перехода (установки) при его срабатывании при определенных значениях нагрузки и рецептуры. Поэтому определяется при помощи двух оценок предпочтений: нечеткого множества нагрузок G и нечеткого множества рецептур Q.
Нормальная область работы j-ой установки для g задается на интервале допустимых значенийнагрузок и определяется эмпирически.
Нормальная область работы j-ой установки для Q задается на интервале допустимых значений коэффициентов отбора выходных продуктов и также определяется эмпирически.
G определяется совокупностью пар
где - режим работы j-го перехода при r-ом варианте нагрузки из допустимого конечного дискретного множества значений нагрузок этого перехода;
J - общее количество переходов СП;
R - количество допустимых значений нагрузок j-гo перехода;
- функция принадлежности режима работы j-гo переходя при r-ом варианте нагрузки к нормальной области работы перехода (установки).
Q определяется совокупностью пар
.
где - режим работы j-гo перехода при h-ой рецептуре из конечного множества рецептур работы этого перехода определяемых коэффициентами отбора продуктов;
Н - количество рецептур;
- функция принадлежности режима работы j-гo перехода при h-ой рецептуре к нормальной области работы перехода (установки). Носителем нечеткого множества нагрузок j-гo перехода Gj является конечное множество , каждый элемент которого представляет собой допустимое значение нагрузки j-гo перехода.
Носителем нечеткого множества рецептур j-гo перехода Qj является конечное множество каждым элементом которого являются допустимые коэффициенты отбора продуктов j-гo перехода а j.
Т.о. множество нечетких переходов определяется как декартово произведение нечетких оценок G и Q, которое отображается на единичный отрезок
Для случая нескольких оценок
предпочтения, функция принадлежности определяется пересечением функций принадлежности определяющих нечетких предпочтений
где U - обобщенная базовая переменная.
Поэтому определяется на основе этого механизма.
- входная нечеткая функция, отображающая нечеткий переход в множество нечетких элементов (резервуаров) нечетких сложных позиций (представляющих определенные группы резервуаров установки) называемых входными элементами перехода, принадлежащих определенным сложным позициям.
- выходная нечеткая функция, отображающая нечеткий переход в множество нечетких элементов нечетких сложных позиций называемых выходными элементами перехода, принадлежащих определенным сложным позициям.
Нечеткий элемент нечеткой сложной входной позиции является входным элементом нечеткого перехода в том случае, если .
Аналогично, элемент сложной выходной позиции является выходные элементом, если .
При запуске нечеткой СП, при попадании фишки в сложную позицию, расчет баланса в этой позиции осуществляется на основе значений уровня, поступления и расхода продукта в элементе (отражающем резервуар), который в данный момент принадлежит множеству либо входных, либо выходных элементов какого-либо перехода.
При возникновении критических ситуаций в процессе расчета на ИМ и при переключении элементов (резервуаров), принадлежащих сложным позициям, происходят изменения так же в множествах либо . Необходимо отметить, что в отличие от детерминированной СП,
где при изменении потоков предусматривалось переключение позиций и
изменение I( tj) и O( tj) что в действительности практически не происходит, в рассматриваемой нечеткой СП происходит переключение элементов сложных позиций, а подключение самих позиций к определенным переходам остается неизменным.
Благодаря нечетким характеристикам и оценкам переходов и позиций возможно учитывать и моделировать действия персонала при управлении процессом в определенных ситуациях и моделировать неполную определенность исходных данных и ситуаций. Характер рассмотренных функций принадлежности, описывающих работу узлов и переходов СП в различных условиях, определяется на основе предварительных экспертных знаний.
Путем изменения функций принадлежности нечеткая СП может быть непосредственно превращена в четкую СП. Тем самым удовлетворяются требования одновременного описания непрерывных и дискретных управляющих воздействий, которые обычно соседствуют в реальных системах.
Маркированная нечеткая СП может быть записана в виде
где m - начальная маркировка сети.
Рассмотрим теперь, как строится стратегия управления в нечет кой СП при прогоне ИМ. Перед первоначальным запуском СП, к срабатыванию готова определенная последовательность переходов СП, образующих в дальнейшем некоторую траекторию работы сети. Эти переходы и связанные с ними сложные позиции и их элементы в общем случае определены. В случае возникновения на предварительном этапе неопределенности структурного или функционального характера, связанной с какими-либо переходами или позициями, она либо устраняется при настройке ММ пользователем, либо это осуществляется автоматически в процессе взаимодействия модели с MMG и базой правил (БП) имитационной прогнозирующей модели, где содержатся лингвистические правила и предпочтения экспертов. БП ММ взаимодействует с БП и ММС базы знаний системы. Естественно, что устранение некоторых исходных неопределенностей в ММ осуществляется в пределах заложенных в БП возможностей по моделированию лингвистических правил и нечетких предпочтений производственного персонала.
После запуска СП, в результате реализации траектории переходов, производственная система за определенное число тактов при бесперебойном функционировании переводится из исходного состояния в некоторое конечное. При этом о поведении системы при заданных исходных условиях судят как по этому конечному состоянию, так и по характеру возможных возникающих сбоев, узких мест и критических ситуаций (устранимых или неустранимых). В случае возникновения критической ситуации, происходит обращение к БП ММ, где на основе входной переменной, характеризующей эту ситуацию, а также определяемым функциям принадлежности к ситуации, осуществляется поиск необходимых лингвистических правил, реализующих управления по выбору резервуаров, режимов работы установок и т.д., с целью устранения этой нежелательной ситуации.
В дальнейшем вновь происходит переход от нечеткой стратегии управления к четкой, и расчет на ИМ продолжается.
Дата добавления: 2018-10-26; просмотров: 155; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!