Устройство моделирования сценариев развития ситуации

Устройство моделирования сценариев развития ситуации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к автоматизированным системам и системам автоматического управления и может быть использовано при решении задач ситуационного управления в которых требуется осуществлять анализ возможных сценариев развития текущей ситуации.

Известен подход к управлению объектами (процессами), согласно которому состояния исследуемой предметной области представляют в виде множества ситуаций [1]. При этом текущей ситуацией на объекте управления называется совокупность всех сведений о структуре объекта управления и его функционировании в данный момент времени. Также считается, что в распоряжении системы управления имеется N различных способов воздействия на объект управления (одношаговых решений). Процесс управления основывается на выборе решений, приводящих объект к требуемой ситуации.

При этом проведение предварительного моделирования сценариев развития ситуации позволяет повысить полноту описания предметной области, упростить процесс принятия решений и повысить их обоснованность. Под сценарием развития ситуации понимается последовательность ситуаций, наступление которых обусловливается принимаемыми решениями и проявлением случайных факторов условий обстановки.

Известен способ [2], содержащий этапы, на которых принимают информацию, задающую переменные решения и переменные неопределенности для множества объектов и задающую для каждого объекта соответствующий набор из одного или нескольких алгоритмов; образуют вектор решения; выполняют процесс оценивания относительно вектора решения для определения, по меньшей мере, значения глобальной целевой функции для вектора решения; выполняют оптимизацию, в результате чего образуется множество векторов решения и соответствующих значений глобальной целевой функции; сохраняют данные в запоминающем устройстве.

Недостатком данного способа является то, что векторы решения образуются по результатам оптимизации и при этом не моделируется (разыгрывается) проявление случайных факторов, которое может привести к различным ситуациям и способствовать реализации различных сценариев развития текущей ситуации.

Также известен способ имитационного моделирования аварийно-восстановительных работ [3], согласно которому вводят исходные данные, после чего начинают моделирование, заключающееся в формировании элементарных случайных событий - интервалов времени, приходящихся на различные операции с учетом законов распределения и постоянных данных, и последующем суммировании элементарных случайных событий с учетом вероятности повторного возникновения с целью получения многократных реализаций искомой величины.

Недостатком данного способа является то, что моделируемые элементарные события не зависят от результатов принятия решения на каждом из этапов изменения ситуации, что не позволяет применить его для моделирования сценариев развития ситуации.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для ситуационного управления [4], которое содержит регистр ввода, N регистров вывода, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ на N входов, N блоков классификации, каждый из которых содержит элемент И, три блока памяти, блок сравнения и счетчик адресов, блок управления, содержащий N элементов ИЛИ, две группы по N элементов И и N элементов ЗАПРЕТ на М-1 входов, блок выбора управляющих решений, содержащий М групп элементов И соответственно на два, три, …, М входов и группу М элементов ИЛИ соответственно на N-M входов. Устройство осуществляет поиск классов толерантности текущих управляющих ситуаций и соответствующих им управляющих решений на множестве полносвязных пространств толерантности, сопряженных к линейной структуре.

Недостатком наиболее близкого технического решения являются относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что множество полных ситуаций (множество, включающее все принципиально возможные (текущие) ситуации) считается известным. Однако в ряде задач заблаговременное формирование данного множества ситуаций является затруднительным, в связи с чем для применения методов ситуационного управления требуется динамическое определение множества возможных ситуаций, например, на основе моделирования сценария развития текущей ситуации.

Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей и обеспечении возможности моделирования сценария развития текущей ситуации в виде последовательности ситуаций, наступление которых обусловливается принимаемыми решениями и проявлением случайных факторов условий обстановки.

Требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее регистр ввода, N регистров вывода, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ, блоки памяти, блок сравнения и счетчик, введены дополнительный регистр ввода, счетчик и блок сравнения, блок оценивания результатов принятия решения, блок расчета целевой функции, блок выбора решения, блок моделирования результатов принятия решения, блок вывода сценария развития ситуации, причем входы элемента ИЛИ соединены с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации и блока памяти сценария развития ситуации; вход ГТИ соединен с выходом элемента ИЛИ, а выходы со входами блока памяти вариантов решений и первого счетчика; вход блока оценивания результатов принятия решения соединен с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации, блока памяти вариантов решений и блока памяти сценария развития ситуации; входы первого блока сравнения соединены с выходом блока оценивания результатов принятия решения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; вход блока расчета целевой функции соединен с соответствующим выходом первого блока сравнения, а выход с соответствующим входом первого счетчика и входом блока буферной памяти результатов принятия решения; соответствующий вход блока буферной памяти результатов принятия решения соединен с выходом первого счетчика, а выход со входом блока выбора решения; вход блока моделирования результатов принятия решения соединен с выходом блока выбора решения; вход второго счетчика соединен с соответствующим выходом моделирования результатов принятия решения; соответствующие входы второго блока сравнения соединены с выходом регистра ввода длины сценария и выходом второго счетчика; соответствующие входы блока памяти сценария развития ситуации соединены с выходом второго блока сравнения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; входы блока буферной памяти ситуаций соединены с соответствующими выходами первого блока сравнения и блока моделирования результатов принятия решения; вход блока вывода сценария развития ситуации соединен с соответствующим выходом блока памяти сценария развития ситуации.

На чертеже представлена электрическая структурная схема устройства моделирования сценариев развития ситуации (фиг. 1).

Устройство моделирования сценариев развития ситуации (фиг. 1) содержит элемент ИЛИ 1, регистр ввода текущей ситуации 2, блок памяти сценария развития ситуации 3, генератор тактовых импульсов 4, блок памяти вариантов решений 5, первый счетчик 6, блок оценивания результатов принятия решения 7, первый блок сравнения 8, блок буферной памяти ситуаций 9, блок расчета целевой функции 10, блок буферной памяти результатов принятия решения 11, блок выбора решения 12, блок моделирования результатов принятия решения 13, второй счетчик 14, второй блок сравнения 15, регистр ввода длины сценария 16, блок вывода сценария развития ситуации 17.

При этом первый вход элемента ИЛИ 1 соединен с первым выходом регистра ввода текущей ситуации 2, а второй вход с первым выходом блока памяти сценария развития ситуации 3; вход ГТИ 4 соединен с выходом элемента ИЛИ 1, первый выход ГТИ 4 соединен со входом блока памяти вариантов решений 5 и первым входом первого счетчика 6; первый вход блока оценивания результатов принятия решения 7 соединен с выходом блока памяти вариантов решений 5, второй вход со вторым выходом регистра ввода текущей ситуации 2, третий вход со вторым выходом блока памяти сценария развития ситуации 3; первый вход первого блока сравнения 8 соединен с выходом блока оценивания результатов принятия решения 7, второй вход первого блока сравнения 8 соединен с первым выходом блока буферной памяти ситуаций 9; вход блока расчета целевой функции 10 соединен с первым выходом первого блока сравнения 8, первый выход со вторым входом первого счетчика 6, второй выход с первым входом блока буферной памяти результатов принятия решения 11; второй вход блока буферной памяти результатов принятия решения 11 соединен с выходом первого счетчика 6, а выход со входом блока выбора решения 12; вход блока моделирования результатов принятия решения 13 соединен с выходом блока выбора решения 12; вход второго счетчика 14 соединен с первым выходом моделирования результатов принятия решения 13; первый вход второго блока сравнения 15 соединен с выходом регистра ввода длины сценария 16, а второй вход с выходом второго счетчика 14; первый вход блока памяти сценария развития ситуации 3 соединен со вторым выходом блока буферной памяти ситуаций 9, а второй вход с выходом второго блока сравнения 15; первый вход блока буферной памяти ситуаций 9 соединен со вторым выходом первого блока сравнения 8, а второй вход со вторым выходом блока моделирования результатов принятия решения 13; вход блока вывода сценария развития ситуации 17 соединен с третьим выходом блока памяти сценария развития ситуации 3.

Все элементы устройства охарактеризованы на функциональном уровне. Описываемая форма их реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже при описании работы устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, в частности, алгоритм или соответствующие математические выражения.

Предполагается, что имеется N вариантов управленческих одношаговых решений U={u_i}, i=1…N, которые могут изменить состояние объекта управления (текущую ситуацию).

Ситуация описывается как совокупность М параметров - S={x_j}, j=1…М. В результате принятия какого-либо решения значения параметров изменяются и происходит смена ситуации. При этом в силу действия случайных факторов значения некоторых параметров могут быть точно не определены и результат принятия решения может быть описан распределением вероятностей на некотором подмножестве ситуаций. Например, рядом распределения, согласно которому определяется подмножество L ситуаций и вероятность наступления каждой из них P(S_l), l∈L, таким образом, что .

Считается, что алгоритм изменения параметров ситуации при принятии решения известен и может быть описан некоторым преобразованием G: ,

где S^t - текущая ситуация,

- множество ситуаций, которые могут наступить с вероятностью больше 0 при принятии в текущей ситуации решения u_i.

Также считается, что известна некоторая целевая функция F(S), которая характеризует отношение лица, принимающего решения, к ситуации.

Для моделирования сценариев развития ситуации предлагается оценить результаты принятия каждого из вариантов решения в текущей ситуации; выбрать рациональный вариант решения, максимизирующий целевую функцию с учетом неопределенности результатов (исходов) принятия решения; смоделировать изменение ситуации в результате принятия решения; сохранить характеристики полученной ситуации в блок памяти; повторить все описанные этапы заданное количество раз, считая получаемую в результате моделирования ситуацию текущей.

В исходном положении устройства:

- в блоке памяти вариантов решений 5 записаны характеристики N вариантов решений U={u_i}, j=1…N;

- в первом счетчике 6 установлено значение i=0, характеризующее количество оцененных вариантов решения в текущей ситуации;

- на регистре ввода длины сценария 16 записан код количества ситуаций Z, которые должны быть включены в моделируемый сценарий;

- во втором счетчике 14 установлено значение z=0, характеризующее количество ситуаций, занесенных в модельный сценарий;

- буферная память в блоке буферной памяти ситуаций 9 пуста;

- элемент ИЛИ 1 находится в нулевом состоянии.

Устройство работает следующим образом.

Характеристики (значения параметров) текущей ситуации поступают на регистр ввода текущей ситуации 2. При этом формируется управляющий сигнал на первый вход элемента ИЛИ 1. Далее элемент ИЛИ 1 подает управляющий сигнал, инициирующий работу ГТИ 4. При инициации работы ГТИ формируется сигнал на обнуление первого счетчика 6. На каждый такт ГТИ подает сигнал, инициирующий поочередное поступление характеристик вариантов решений u_i из блока памяти 5 в блок оценивания результатов принятия решения 7 на первый информационный вход. На второй информационной вход в блок 7 поступают значения параметров текущей ситуации S⁰ с регистра 2.

В блоке оценивания результатов принятия решения 7 на основе заранее сформированного алгоритма производится расчет параметров ситуаций , которые могут реализоваться при принятии i-го варианта решения, и вероятностей их реализации . Массив значений рассчитанных параметров ситуаций поступает в блок сравнения 8, где сравнивается с содержимым блока буферной памяти ситуаций 9. Все ситуации, характеристики которых отсутствуют в блоке буферной памяти, заносятся в буферную память. Каждой из ситуаций присваивается очередной порядковый номер k согласно порядку ее записи в буферную память блока 9.

После обновления буферной памяти массив значений рассчитанных параметров ситуаций поступает в блок расчета целевой функции 10. В данном блоке согласно заранее сформированному алгоритму производится расчет значения целевой функции для каждой из ситуаций. Далее из блока 10 поступает сигнал на первый счетчик 6, увеличивающий значение в нем на «1». Значение со счетчика 6 служит для организации записи массива полученных в блоке 10 значений в буферную памяти результатов принятия решения в блоке 11.

Данные процедуры повторяются итеративно до полного перебора вариантов решений в блоке памяти 5. После передачи параметров последнего решения из блока 5 поступает управляющий сигнал, который, последовательно проходя через блоки 7, 8, 10, 11, инициирует передачу массивов {F_ik} и {P_ik} в блок выбора решения 12. В данном блоке осуществляется выбор номера варианта решения i^*, позволяющего реализовать ситуации с максимальным средним значением целевой функции . Реализация данного блока может быть организована согласно схеме устройства [5]. После выбора номера варианта решения i^* соответствующий ему массив значений вероятностей реализации ситуаций поступает в блок моделирования результатов принятия решения 13. В данном блоке формируется функция вероятности реализации ситуаций (посредством суммирования вероятностей с нарастающим итогом), генерируется равномерно распределенное число, и по тому, в интервал между какими номерами ситуаций оно попадает, выбирается номер k^* ситуации. Реализуется данный блок на основании генератора случайных чисел, которые широко описаны в различных модификациях. После моделирования результатов принятия решения в блоке 13 формируется управляющий сигнал на второй счетчик 14, который приводит к увеличению хранящего там значения z длины сценария на «1». Данное значение поступает во второй блок сравнения 15, и если оно не превышает заданного ограничения длины сценария на регистре 16, то формируется сигнал в блок памяти сценария развития ситуации 3 на формирование записи об очередной ситуации. При этом номер k^* ситуации через второй информационный выход блока 13 поступает вход блока буферной памяти ситуаций 9. Согласно поступившему сигналу параметры ситуации передаются из блока 9 через второй выход в блок памяти сценария развития ситуации 3, где сохраняются в случае поступления сигнала из блока 15. После этого из блока 3 формируется управляющий сигнал на элемент ИЛИ 1, а параметры ситуации с номером k^* поступают из второго информационного выхода блока 3 на вход блока оценивания результатов принятия решения 7, где они заменяют характеристики текущей ситуации. После чего все расчетные процедуры повторяются.

В результате в блоке памяти сценария развития ситуации 3 накапливаются записи с характеристиками ситуаций, которые могут наступить при рациональном выборе варианта решений на каждой итерации с учетом неопределенности результатов принятия решения. Когда количество итераций моделирования z совпадет с заданной длиной сценария на регистре 16, в блоке сравнения 15 формируется сигнал на вывод информации, по которому из блока памяти сценария развития ситуации 3 массив параметров ситуаций поступает в блок вывода сценария развития ситуации 17.

Таким образом обеспечивается возможность моделирования сценария развития текущей ситуации в виде последовательности ситуаций, наступление которых обусловливается принимаемыми решениями и проявлением случайных факторов условий обстановки. При этом в сценарий попадают только ситуации, возможные при рациональном принятии решения, что позволяет снизить избыточность объема хранимой информации о множестве полных ситуаций и упростить процесс ситуационного управления.

Литература

1. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. - М.: Наука. - Гл. ред. физ.-мат. лит-ры, 1986. - 288 с. Стр. 26.

2. Анализ многочисленных объектов с учетом неопределенностей, RU 2413992, 10.03.2011.

3. Способ имитационного моделирования аварийно-восстановительных работ в хозяйстве автоматики и телемеханики, RU 2531780, 27.10.2014.

4. Устройство для ситуационного управления, RU 2105343, 20.02.1998.

5. Устройство для моделирования процесса принятия решения в условиях неопределенности, RU 2534924, 10.12.2014.

Устройство моделирования сценария развития ситуации, содержащее регистр ввода, N регистров вывода, генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ, блоки памяти, блок сравнения и счетчик, отличающееся тем, что введены дополнительный регистр ввода, счетчик и блок сравнения, блок оценивания результатов принятия решения, блок расчета целевой функции, блок выбора решения, блок моделирования результатов принятия решения, блок вывода сценария развития ситуации, причем входы элемента ИЛИ соединены с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации и блока памяти сценария развития ситуации; вход ГТИ соединен с выходом элемента ИЛИ, а выходы со входами блока памяти вариантов решений и первого счетчика; вход блока оценивания результатов принятия решения соединен с соответствующими выходами регистра ввода текущей ситуации, блока памяти вариантов решений и блока памяти сценария развития ситуации; входы первого блока сравнения соединены с выходом блока оценивания результатов принятия решения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; вход блока расчета целевой функции соединен с соответствующим выходом первого блока сравнения, а выход с соответствующим входом первого счетчика и входом блока буферной памяти результатов принятия решения; соответствующий вход блока буферной памяти результатов принятия решения соединен с выходом первого счетчика, а выход со входом блока выбора решения; вход блока моделирования результатов принятия решения соединен с выходом блока выбора решения; вход второго счетчика соединен с соответствующим выходом моделирования результатов принятия решения; соответствующие входы второго блока сравнения соединены с выходом регистра ввода длины сценария и выходом второго счетчика; соответствующие входы блока памяти сценария развития ситуации соединены с выходом второго блока сравнения и соответствующим выходом блока буферной памяти ситуаций; входы блока буферной памяти ситуаций соединены с соответствующими выходами первого блока сравнения и блока моделирования результатов принятия решения; вход блока вывода сценария развития ситуации соединен с соответствующим выходом блока памяти сценария развития ситуации.