Способ экспресс-оценки функционирования открытой сложной системы
Изобретение относится к кибернетике и предназначено для оценки функционирования различных систем, в том числе открытых сложных систем (ОСС). Техническим результатом данного изобретения является обеспечение возможности экспресс-оценки функционирования ОСС и, соответственно, других, более простых систем, с соответствующими количественными и качественными оценками их функционирования. Способ основан на проведении внутренней иерархической формализации ОСС с выделением тех факторов, которые влияют на исследуемые характеристики (функции, свойства, параметры) рассматриваемой ОСС, выборе в качестве основных показателей функционирования ОСС уровня функционирования ОСС, который может быть абсолютным и базовым, в задании на основе проведенной иерархической формализации ОСС соответствующей нейросети, в которой нейроподобные элементы (НПЭ), в частности, нейроны, моделируют отдельные факторы и исследуемую характеристику системы, а определенный слой нейронов моделирует факторы определенного уровня иерархии, расчете уровней функционирования ОСС, для чего задают числовую детерминированную или экспертную оценку состояния и веса фактора каждого входного НПЭ и определяют нормированный вес фактора каждого НПЭ путем деления сигнала, несущего информацию о величине веса данного фактора, на сигнал, несущий информацию о суммарной величине весов факторов НПЭ, синаптически связанных с соответствующим НПЭ следующего уровня иерархии, определяют для каждого фактора входного НПЭ параметр фактора путем умножения сигнала, несущего информацию о величине оценки состояния фактора, на сигнал, несущий информацию о нормированном весе фактора соответствующего входного НПЭ, рассчитывают состояние фактора каждого НПЭ следующего уровня иерархии, для чего суммируют сигналы, несущие информацию о параметрах факторов НПЭ, синаптически связанных с соответствующим НПЭ этого уровня иерархии, задают числовую детерминированную или экспертную оценку веса фактора каждого НПЭ этого уровня иерархии и аналогичным образом рассчитывают параметры факторов каждого НПЭ этого уровня, аналогичным образом рассчитывают состояние и параметр фактора каждого НПЭ последующих уровней иерархии, полученное состояние фактора выходного НПЭ представляет собой уровень функционирования ОСС. 2 ил.
Изобретение относится к кибернетике и предназначено для оценки функционирования различных систем, в том числе открытых сложных систем [1].
Известно устройство для выбора оптимальных решений [2], реализующее соответствующий способ выбора оптимальных решений, предполагающий начальную организацию модели системы с многоуровневым иерархическим обобщением исходных данных; наличие датчиков оценки ситуации, в том числе экспертным методом; логических схем для организации поступления сигналов с датчиков на схемы более высокого уровня иерархии; схем обобщения информации 1-го уровня, в которых поступающие на них с датчиков сигналы либо суммируются с усреднением, либо суммируются с учетом весовых коэффициентов, либо перемножаются и т.д.; блоков установки сигналов со схем обобщения 1-го уровня весовых коэффициентов важности; схем обобщения 2-го уровня, формирующих окончательную оценку варианта решения; блока памяти и схемы сравнения вариантов. При этом число возможных уровней обобщения может быть больше двух.
Данный способ не позволяет проводить корректную экспресс-оценку функционирования систем, в частности ОСС, поскольку в известном техническом решении:
1. Не определен порядок иерархической формализации ОСС, что не позволяет корректно формализовать объект исследования.
2. Не определен порядок обработки и обобщения сигналов с датчиков и элементов в схемах обобщения различного уровня до следующего уровня понятий, при этом уровни понятий не определены, что не позволяет применить способ для обработки сигналов различной физической природы и, соответственно, для оценки функционирования различных систем.
3. Не определен диапазон и порядок формирования сигналов с датчиков и элементов оценки ситуации в схемах обобщения первого и последующих уровней, что не позволяет сравнивать сигналы с датчиков, имеющих различную физическую природу, и производить действия по оценке функционирования системы.
4. Выходной сигнал имеет определенное значение только после сравнения с предыдущими сигналами, однако такое сравнение малоинформативно с точки зрения выработки оптимального решения, т.к. не задано направление оптимума.
Целью данного изобретения является обеспечение возможности экспресс-оценки функционирования ОСС и, соответственно, других, более простых систем, с соответствующими количественными и качественными оценками их функционирования.
Сущностью изобретения является:
1. Проведение внутренней иерархической формализации ОСС с выделением тех факторов, которые влияют на исследуемые характеристики (функции, свойства, параметры) рассматриваемой ОСС. Окончательный уровень формализации определяется исходя из принципа необходимости и достаточности. При этом выделяются факторы 1-го, 2-го и т.д. уровней иерархии (соответственно, факторы-1, факторы-2, и т.д.). Цель этапа - определение факторов, по которым можно оценить интересующие показатели функционирования ОСС, и иерархических связей между ними.
2. Выбор в качестве основных показателей функционирования ОСС уровня функционирования ОСС, который может быть абсолютным, Пу.ф.абс., и базовым, Пу.ф.баз.. В качестве вспомогательных показателей функционирования, рассчитываемых на основе значений уровней функционирования, используется относительный уровень функционирования ОСС, Пу.ф.отн., как отношение уровня функционирования абсолютного к уровню функционирования базовому, а также с целью более удобного анализа тех или иных характеристик системы, могут использоваться и другие зависимости с использование основных показателей функционирования.
Уровень функционирования системы абсолютный, Пу.ф.абс., рассчитывается для анализируемой ситуации (реальной, прошедшей или прогнозируемой).
Уровень функционирования системы базовый, Пу.ф.баз., рассчитывается для базового варианта функционирования ОСС и характеризует желаемое (или требуемое) состояние исследуемой характеристики (функции, свойства, параметра) ОСС исходя из желаемого (требуемого) уровня подсистем (компонентов, элементов) анализируемой системы.
При этом количественные оценки показателей функционирования можно трансформировать в качественные, например, балльные оценки, предполагающие, в том числе, наличие критериев, например, в соответствии с вербально-числовой шкалой Харрингтона [2].
Вопрос выбора критериев должен рассматриваться применительно к конкретной ОСС в совокупности с конкретной исследуемой функцией (характеристикой, свойством, параметром) системы.
Уровень функционирования ОСС имеет непосредственную связь с возможными оценками тех или иных параметров функционирования системы, полученными известными расчетными или статистическими методами, например, оценкой вероятности тех или иных событий (если исследуемые функции системы связаны с вероятностными параметрами), надежностью системы и другими параметрами. Так, для оценки в рамках анализа ОСС вероятности наступления тех или иных событий, Рф., такая связь определяется соотношением:
Рф.=Пу.ф.абс.·Кф.,
где Кф.=Рф./Пу.ф.абс.- коэффициент связи, учитывающий связь между обозначенными величинами, подсчитанными для одного и того же варианта по предлагаемому способу и по известным методикам расчета вероятности тех или иных событий.
Например, исследуя такую ОСС, как система перевозок (СП) автомобильным транспортом и, в частности, такой параметр ее функционирования, как вероятность инцидентов определенного рода (что, собственно, и является основой для страхования перевозок), например порчи груза, мы получили определенными известными методами для конкретных условий перевозок вероятность порчи груза Рп.гр.=0,025. Формализуя процесс перевозок и оценивая уровень риска (как один из параметров функционирования СП) для тех же условий перевозки, мы получили расчетный уровень риска порчи груза Пу.р.п.гр.расч.=0,36, а коэффициент связи для риска Кр.=0,025/0,36=0,07. Таким образом, в рамках данной СП и соответствующей ей формализации, можно рассчитать риск порчи и для других условий с помощью найденного коэффициента Кр.
3. Задание на основе проведенной иерархической формализации ОСС соответствующей нейросети, в которой нейпородобные элементы (НПЭ), в частности нейроны, моделируют отдельные факторы и исследуемую характеристику системы, а определенный слой НПЭ моделирует факторы определенного уровня иерархии (факторы-1, факторы-2,... факторы-k) в целях экспресс-оценки функционирования системы и определения исследуемой характеристики (функции, свойства, параметра) рассматриваемой системы. В такой структуре НПЭ, не имеющие синаптически связанных с ними НПЭ более низкого уровня иерархии, являются входными НПЭ и соответствуют факторам входного уровня иерархии. НПЭ, имеющий синаптические связи только с НПЭ более низкого уровня иерархии, является выходным НПЭ и соответствует исследуемой характеристике системы. Остальные НПЭ являются промежуточными.
Общие схемы нейросетей для оценки функционирования ОСС представлены на фиг.1 и фиг.2. Возможен вариант, когда формализация заканчивается на факторах-1 и, соответственно, промежуточных НПЭ в нейросети нет. Соответствующая этому случаю схема оценки функционирования ОСС при одноуровневой формализации на основе одноуровневой нейросети представлена на фиг.1. Схема оценки функционирования ОСС при многоуровневой формализации на основе многоуровневой нейросети, в которой есть все типы НПЭ, представлена на фиг.2. В обоих вариантах выделены входные и выходной НПЭ. На фиг.2 также видно, что входные НПЭ могут находиться на разных уровнях иерархии, что важно учитывать при проведении оценки функционирования ОСС.
4. Расчет уровней функционирования ОСС в следующем порядке:
Предварительно для фактора каждого входного НПЭ задают числовую детерминированную или экспертную оценку его состояния и веса.
Шкалу оценивания состояния фактора выбирают исходя из принципа непосредственной оценки [1] в пределах от нуля до единицы. Выбор крайних значений:
- при максимальном соответствии высокому уровню исследуемой характеристики системы принимается значение 1;
- при минимальном соответствии - принимается значение 0.
Состояние фактора, под которым понимается уровень соответствия фактора исследуемой характеристике (функции, свойству, параметру) системы, задают произвольным числом в пределах шкалы. Так, чем меньше состояние фактора соответствует высокому уровню исследуемой характеристики системы, тем меньше число (в пределах заданного интервала). Если оценить конкретным числом сразу трудно, используют вербально-числовые шкалы (например, Харрингтона).
Вес фактора является весом синаптической связи и также может быть задан непосредственной оценкой по шкале в пределах от нуля до единицы.
Определяют нормированный вес фактора каждого НПЭ. Для чего сигналы, несущие информацию о каждом весе, суммируют. После чего осуществляют деление сигнала, несущего информацию о величине веса данного фактора, на сигнал, несущий информацию о суммарной величине весов факторов НПЭ.
На следующем этапе для каждого входного НПЭ производят расчет параметра фактора НПЭ, под которым понимается доля фактора в состоянии синаптически связанного с ним фактора НПЭ более высокого уровня иерархии. Для чего сигнал, несущий информацию о величине числовой оценки состояния фактора НПЭ, перемножают с сигналом, несущим информацию о нормированном весе фактора соответствующего НПЭ.
На следующем этапе для одноуровневой нейросети для каждого выходного НПЭ производят расчет его состояния. Для чего сигналы, несущие информацию о величине параметра фактора каждого входного НПЭ, суммируют. Полученное значение соответствует уровню функционирования ОСС.
На следующем этапе для многоуровневой нейросети рассчитывают состояние фактора каждого НПЭ следующего уровня иерархии, для чего суммируют сигналы, несущие информацию о параметрах факторов НПЭ, синаптически связанных с соответствующим НПЭ этого уровня иерархии, задают числовую детерминированную или экспертную оценку веса фактора каждого НПЭ этого уровня иерархии и аналогичным образом рассчитывают параметр фактора каждого НПЭ этого уровня, аналогичным образом рассчитывают состояние и параметр фактора каждого НПЭ последующих уровней иерархии, полученное состояния фактора выходного НПЭ представляет собой уровень функционирования ОСС.
Квалиметрия экспертов проводится либо при заданиях соответствующих состояний и весов, либо на этапах расчетов показателей функционирования. Квалиметрия проводится так же, как и оценка состояний или весов. Процедура квалиметрии может быть, например, в виде взаимооценки экспертов, либо в виде определения весов экспертам каким-либо уполномоченным на это органом.
При детерминированном численном значении состояния или веса того или иного фактора (в том числе размерного), проводится его нормировка по отношению к крайним значениям, и в дальнейшем для расчетов принимается безразмерная величина в диапазоне от 0 до 1.
Литература
1. Системный анализ и принятие решений: Словарь-справочник /Под ред. В.Н.Волковой, В.Н.Козлова. - М.: Высшая школа, 2004, стр.204, 594.
2. Трояновский В.М. Математическое моделирование в менеджменте. - М.: Издательство РДЛ. 2003, стр.137.
3. Устройство для выбора оптимальных решений. АС №344443, 1972.
4. Устройство для выбора оптимальных решений. АС №767778, 1980.
5. Устройство для выбора оптимальных решений. АС №926671,1982.
Способ экспресс-оценки функционирования открытой сложной системы, основанный на определении показателей функционирования открытой сложной системы (ОСС), для чего проводят иерархическую формализацию ОСС с выделением факторов различных уровней иерархии, влияющих на исследуемые характеристики рассматриваемой системы, и иерархических связей между ними, на основе чего задают соответствующую нейросеть, в которой нейроподобным элементам (НПЭ) соответствуют факторы и исследуемая характеристика системы, входные НПЭ соответствуют факторам входного уровня иерархии, выходной НПЭ соответствует исследуемой характеристике системы, задают числовую детерминированную или экспертную оценку состояния и веса фактора каждого входного НПЭ и определяют нормированный вес фактора каждого НПЭ путем деления сигнала, несущего информацию о величине веса данного фактора, на сигнал, несущий информацию о суммарной величине весов факторов НПЭ, синаптически связанных с соответствующим НПЭ следующего уровня иерархии, определяют для каждого фактора входного НПЭ параметр фактора путем умножения сигнала, несущего информацию о величине оценки состояния фактора, на сигнал, несущий информацию о нормированном весе фактора соответствующего входного НПЭ, рассчитывают состояние фактора каждого НПЭ следующего уровня иерархии, для чего суммируют сигналы, несущие информацию о параметрах факторов НПЭ, синаптически связанных с соответствующим НПЭ этого уровня иерархии, задают числовую детерминированную или экспертную оценку веса фактора каждого НПЭ этого уровня иерархии и аналогичным образом рассчитывают параметры факторов каждого НПЭ этого уровня, аналогичным образом рассчитывают состояние и параметр фактора каждого НПЭ последующих уровней иерархии, полученное состояние фактора выходного НПЭ представляет собой уровень функционирования ОСС.
