Применение многоатрибутивного метода для выбора состава бортовых систем обмена информацией

Для многоуровневого выбора состава бортовых систем обмена информацией предлагается применить многоатрибутивный метод проектирования. Рассматривается алгоритм, реализующий данный метод.

Специфика проектирования бортовых систем обмена информацией спутников связи. При разработке сложных технических систем, к которым, несомненно, относятся и бортовые системы обмена информацией (БСОИ), следует четко представлять круг выполняемых проектных работ на соответствующих этапах и уровнях с использованием определенных методов проектирования.

Работы на этапах проектирования по форме аналогичны, однако есть специфичность этапов для бортовой ЭВА, в том числе и БСОИ, определяемая общими особенностями этих систем и особенностями их применения в системах управления (СУ), среди которых главными являются следующие:

• -    разнородность входящих блоков и устройств, а также абонентов СУ;

• -    работа в реальном масштабе времени;

• -    программируемая логика работы и многофункциональное назначение системы;

• -    возможность возникновения отказов, приводящих к изменению алгоритма функционирования (отказы функционирования);

• -    наличие взаимосвязанных требований по точности и скорости передачи информации.

При поэтапном проектировании после окончания каждого этапа происходит оценка полученных результатов путем их сравнения с требуемыми по техническому заданию. На этапе разработки технического предложения, как правило, оцениваются параметры обслуживания выбранной структуры. По итогам эскизного проекта определяются основные характеристики функциональнологической схемы БСОИ. На этапе разработки технического проекта конструкторские, технологические решения, принципиальные электрические схемы системы позволяют получить все характеристики системы обмена. На этапе испытаний осуществляется окончательная проверка принятых решений и происходит определение точных значений параметров БСОИ в условиях эксплуатации.

Уровни проектирования можно разделить на алгоритмический, структурный, функционально-логический, схемотехнический и конструкторско-технологический.

На алгоритмическом уровне решаются вопросы построения системы в целом, анализируются алгоритмы обмена информацией в СУ и проводятся работы по определению необходимых (а при возможности оптимальных) временных соотношений в циклограмме решения задач и обмена.

На структурном уровне рассматривается вся система, определяются принципы организации объекта проектирования; выбирается архитектура с решением вопроса о распределении функций аппаратных и программ ных средств системы; разрабатывается структурная схема БСОИ, т. е. определяются состав структурных блоков и способы их взаимодействия (связи между блоками), а также основы построения ПО; вырабатываются требования к параметрам основных структурных частей системы и при необходимости формируются частные технические задания (ТЗ) на их разработку.

На функционально-логическом уровне происходит детализация (техническая и алгоритмическая) принятых структурных решений: детализируются функции блоков структурной схемы; выбираются конкретные принципы организации устройств БСОИ; определяется необходимая функционально-логическая реализация структурных блоков и системы, характеристики которых удовлетворяют требованиям ТЗ; разрабатывается программное и микропрограммное обеспечение БСОИ.

На более низких уровнях проектирования разработка завершается оформлением принципиальных электрических схем устройств и системы в целом, конструкторско-технологических чертежей и другой документации, необходимой для начала производства системы.

Анализ содержания и специфики работ при проектировании БСОИ, задач уровней проектирования, а также взаимосвязанности работ по этапам и уровням показывает необходимость уделить особое внимание вопросам разработки БСОИ на структурном и функционально-логическом уровнях, так как именно на этих уровнях (в первую очередь на структурном) формируются решения, определяющие качество системы, содержание и направление работ на следующих уровнях проектирования. Следует отметить, что при проектировании систем на ИС, БИС, СБИС и микропроцессорах, т. е. на уровне корпусов функциональных элементов, задачи, решаемые на структурном, функционально-логическом и конструкторско-технологическом уровнях, тесно переплетены. Это объясняется тем, что существуют детерминированные решения по архитектуре в функционально законченных элементах (модулях) интегральных схем.

Можно считать, что процесс проектирования сложных систем базируется на трех основных компонентах: методе проектирования, способе принятия решений и совокупности показателей качества, используемых для оценки решений.

В настоящее время проектирование сложных иерархических систем, в том числе и систем обмена информации, практически невозможно без использования систем автоматизированного проектирования. При этом, с одной стороны, используемый метод проектирования должен позволять применять СППР, а с другой - СППР должна непосредственно учитывать пользовательские аспек- ты и обеспечивать законченность процесса «проектирование - производство».

На основании анализа возможностей наиболее распространенных СППР различного назначения можно сделать следующие выводы:

• -    структурному уровню проектирования уделяется недостаточное внимание;

• -    ориентация на характеристики ТЗ в процессе принятия решения (а не на показатели качества и стоимостные характеристики) упрощает работу пользователя, но может привести к снижению эффективности проектирования и его неэкономичности;

• -    ввиду незавершенности (нет строгого сквозного процесса проектирования) имеющиеся СППР следует считать развитыми специализированными системами моделирования;

• -    разработанные СППР в недостаточной степени ориентированы на создание БСОИ и применять их для разработки таких специфических систем неэффективно и экономически невыгодно.

Большинство СППР ориентированы на использование метода сравнительного анализа в определенной последовательности действий:

• -    выбор алгоритма функционирования проектируемого объекта;

• -    формирование множества схем устройств, реализующих выбранный алгоритм функционирования;

• -    последовательное сравнение вариантов схем по каждой заданной в ТЗ характеристике и исключение после каждого сравнения тех вариантов структур, которые не удовлетворяют требованиям ТЗ;

• -    выбор структуры по результатам оценки с помощью обобщенного критерия.

Метод сравнительного анализа позволяет определить допустимый вариант реализации заданного к проектированию устройства, но при этом имеет следующие недостатки: в большинстве случаев на практике решение принимается не по совокупности показателей качества, учитывающей технические характеристики проектируемого устройства и аналогичные параметры класса таких устройств, а по конкретным характеристикам и, как правило, неавтоматизированным способом, что снижает эффективность разработки. Так как при этом на каждом шаге принятия решений по определенному параметру выбирается группа вариантов устройства для дальнейшего рассмотрения, то возможна потеря варианта реализации объекта проектирования, наилучшего по критерию оценки следующих этапов анализа. Этот способ не позволяет создавать новые технические решения, поскольку ориентирован на оценку эвристически заданного множества конкурирующих вариантов.

К наиболее распространенным методам проектирования относятся анализ и синтез, которые могут быть использованы в качестве единого метода выполнения проектных операций для всех уровней разработки. Однако применение на практике полного синтеза для сложных систем в настоящее время затруднено, а сравнительный анализ не обладает всеми качествами, необходимыми для обеспечения сквозного многоуровневого проектирования.

В качестве эффективного и практически приемлемого единого метода выполнения проектных операций це лесообразно использовать метод направленного выбора. Для построения множества оптимальных альтернатив на всех этапах проектирования автор предлагает использовать метод учета неопределенности и субъективности оценок.

Метод учета неопределенности и субъективности оценок при проектировании бортовой системы передачи информации. Рассмотрим модель и метод принятия решения на полученном множестве альтернатив, соответствующих различным составам бортовой системы передачи информации, в котором учитывается не только неопределенность в оценках эксперта, но и его интуитивные склонности относительно реальных характеристик атрибутов (критериев) и их специфики.

Предлагаемый метод позволяет выбрать в качестве оптимальной альтернативу, которая минимизирует взвешенное расстояние от назначенной «идеальной точки» для размытой и интуитивной составляющих [6]. Таким образом, данный метод комбинирует оценки каждого значения атрибута при отсутствии полной информации о предпочтениях и субъективные оценки относительно важности всех атрибутов.

Допустим, имеется т альтернатив, представляющих собой различные структуры БСОИ, из которых необходимо сделать выбор. Каждому выбору соответствует и значений атрибутов. В реальной задаче выбора такими атрибутами будут являться надежность системы, стоимость, быстродействие и т. п. Для к -й альтернативы существует ( х * * , х ₂ ⁽ * *,..., х_п ⁽ * * ), где х ⁽ * * - значение i -го атрибута, если к -я альтернатива выбрана. Будем обозначать через Л ⁽ * * к- ю альтернативу, однозначно определяющую ( х ₁ ⁽ * * , х ₂ ⁽ * * ., х_п ⁽ * * ) и соответствующую одному из вариантов состава бортовой системы передачи информации.

Согласно концепции «идеальной точки» обозначим через А* ( х ₁ * , х ₂ * ,..., х* ) «идеальную» альтернативу, для которой х * предпочтительней х_п ⁽ * * для любых к и i . Отметим, что некоторые значения х * могут и не соответствовать значениям альтернатив А ⁽ * * рассматриваемого множества.

Обозначим субъективную оценку относительной важности каждого i- го атрибута с помощью нечеткого множества Н . :

Х = { х ₁ ⁽ * * :1 JкJm } U { х* }, где х * в общем случае не является частью множества { х . ⁽ * * :1 <  к < m } . Н . описывается своей характеристической функцией вида

/ _ю: Х^ [0,1] .                  (1)

Таким образом,^ х . ⁽ * * ) характеризует предпочтитель-ность А ⁽ * * по i -му атрибуту. Очевидно, что / _н. ( х * ) = 1, так как х * - наилучшее возможное значение i- го атрибута. В некоторых случаях может быть использовано предварительно определенное соотношение для нахождения зна-чений / H ( х . ⁽ * * ), например:

если 0 <  х . ⁽ * * <  х * V к , то ^Д х . ⁽ * * ) = х , ⁽ * * / х * ;

если 0 <  х * <  х ,⁽ * * V к , то / „. ( х ,⁽ * * )= х * / х ⁽ * * .

.            .            ^, Нг .             i i

Как правило, проектировщик хотел бы использовать свои собственные субъективные знания на этапе назначения коэффициентов сатисфакции для i -го значения атрибута, обеспеченного А ⁽ * * .

Выбор альтернативы представляет собой попытку минимизировать расстояние междуА(* * и А *, которое, несомненно, является функцией субъективных предпочтений проектировщика, характеризующих его квалификацию, опыт практической работы, уровень знаний о предметной области, а также зависит от уровня информированности о представленном для выбора реальном множестве альтернатив в конкретной ситуации [1]. Другими словами, расстояние между двумя альтернативами, принимая во вни мание относительную важность, назначенную для каждого атрибута, должно быть минимально. При этом благодаря сгенерированным коэффициентам в процессе выбора учитывается неопределенность, присущая данной задаче. Очевидно, что если для всех х.(** (1 < к < т) на этапе принятия решения информация о предпочтительности недоступна (скрыта), то неопределенность по i-му атрибуту становится относительно высокой. Однако высокий уровень для х.(* * и низкий для х.(°, где к ^ l, снижает неопределенность по i-му атрибуту.

Разрабатывая решающий алгоритм, употребим наиболее часто используемую меру неопределенности -энтропию, обозначив через р . вероятностную функцию распределения:

m

— X Pi 1П Pi.

1 = 1

Чтобы выразить нечеткое множество Н. через распределение вероятностей, установим m

P (k ) = f_m ( x , ⁽ k ) )/ X М x (¹ ) ),

1 = 1

где p^ ⁽ * * - оценка степени принадлежности х . ⁽ * * нечеткому множеству Н„ Так что теперь мы можем определить неопределенность по i -му атрибуту как функцию энтропии:

m e i =-M X P(k)ЬP(k),            (2)

k = 1

где M - нормирующая константа, допускающая максимальное значение е. , равное 1. Фактически е . максимально, если р . ⁽ * * =1/ т , следовательно М = 1/ In т и 0 <  е . <  1. Общая неопределенность получается путем суммирования неопределенностей по каждому атрибуту:

n

E = ∑ e =

= 1

-

nm

Л XX p. ^{( k} ) in p ( ^{k 1} .

1n m

= 1 k = 1

В расстоянии между двумя альтернативами весовые коэффициенты, зависящие от неопределенности, будут малы, если неопределенность высока. Высокое значение неопределенности относительно некоторого i -го атрибута означает, что довольно большое количество альтернатив имеет близкие по значению коэффициенты сатисфакции относительно этого i -го атрибута и поэтому решение о выборе некоторой альтернативы не будет существенно зависеть от этого атрибута. Другими словами, i -й атрибут, не отличающийся по большинству альтернатив, имеет более существенное значение для принятия решения. Определим коэффициент сатисфакции:

S =

^{1 —} e

n

X (1 - e . )

i = 1

1 — e .

77 ,0 <  n . n — E ^,

Отметим, что когда неопределенность, соответствующая i -му атрибуту, высока, то е . близко к 1 и коэффициент S мал.

Предлагаемая ниже процедура комбинирует нечеткость, характеризующую полученные коэффициенты сатисфакции, и субъективную составляющую, присущую конкретному проектировщику на этапе принятия решения о составе бортовой системы.

Пусть w . - относительные веса по важности, назначенные ЛПР i -му атрибуту априори. Тогда комбинированный весовой коэффициент можно определяют по выражению

S . = S ' w ' ,0 <  n .               (4)

∑ S i w i ‘= i

Мера того, насколько удалена А ⁽ * * от идеальной альтернативы А * , соответствует тому, насколько значения атрибутов А ⁽ * * удовлетворяют субъективным целевым представлениям проектировщика. Введем понятие дополнения нечеткого множества Н. , которое будем обозначать U . , и для которого выполняется. / ,. ( х . ⁽ * * )=1- f _H. ( х . ⁽ * * ).

Итак, если необходимо вычислить, насколько удалены друг от друга альтернативыА(** и А * по i-му атрибуту, то это можно увидеть по степени неудовлетворенности проектировщика значением i-го атрибута дляА(**:

Dis ^{( i )} [ A * , A ^{( k} ) ] = S . f ui (x (^k ) )              (5)

и тогда

n

Dis [ A *, A ^{( k} ) ] = X ( Dis ⁽‘) [ A *, A ⁽ k ) ]) 2 •       (6)

i = 1

Здесь значение Dis ⁽ ‘ * характеризует функцию различимости ( distinguishability function ) по каждому отдельному i -му атрибуту, а Dis( А * , А ⁽ * * ) соответствует среднеквадратичному отклонению Dis ⁽ ‘ * . Нашей целью является выбор альтернативы А ⁽ *° * , которая максимально близка к А * :

Dis[ A *, A(k0)] = min Dis[ A *, A(k)] k.

Можно ввести дополнительные метрики, в выборе которых заинтересован проектировщик, например: n

Dis 0)[ A *, A(k)] = X Sifui(x( k))

i = 1

или

Dis (2)[ A *, A(k)] = max{ SJ№ (x(k))}.(9)

Алгоритм выбора недоминируемого решения, основанный на субъективных предпочтениях проектировщика. Для выбора оптимального состава БСОИ на множестве недоминируемых альтернатив применяют описанный выше метод учета неопределенности и субъективности оценок. Алгоритм, реализующий данный метод, выглядит следующим образом.

Шаг 1. Назначение идеальной альтернативы. Предоставление проектировщику всех имеющихся недоминируемых альтернатив.

Шаг 2. Назначение проектировщиком. / ^. ( х . ⁽ * * ), характеризующих предпочтительность к -й альтернативы по i -му атрибуту для 's/к , i согласно (1). Назначение весовых коэффициентов w . , определяющих относительную важность i -го атрибута.

Шаг 3. Определение наилучшей альтернативы путем выполнения следующих вычислительных процедур:

• -    расчет частных энтропий по каждому атрибуту е . V i согласно (2);

• -    расчет коэффициентов сатисфакции по каждому атрибуту S. V i согласно (3);

• -    расчет весовых коэффициентов S . V i , комбинирующих нечеткость и субъективную оценку согласно (4);

• -    расчет значений Dis ⁽ ‘ * дляУ i , определяющих расстояние между к -й альтернативой и идеальной альтернативой по i -му атрибуту согласно (5);

• -    расчет Dis( А * , А ⁽ * ’ ) согласно (6) (или (8) или (9);

• -    определение наилучшей альтернативы путем минимизации Dis( А * , А ⁽ * ’ ) согласно (7).

Шаг 4. Предоставление проектировщику значения Dis( А * , А ⁽ * ’ ) и соответствующего ему решения. Если полученное решение удовлетворяет проектировщика, то завершаем вычисления, иначе нужно возвращаться на Шаг 2.

Исследование влияния мощности множества недоминируемых решений на результат работы метода. Согласно представленному методу осуществляется выбор среди нескольких альтернатив, основываясь на значениях следующих параметров, заданных проектировщиком:

• -    предпочтения альтернатив по каждому критерию Ун ^);

• -    весовые коэффициенты критериев ( w _t и w ₂ ).

С помощью описанного метода будут получены недоминируемые решения, из которых можно сформировать множества различной мощности. При необходимости в процесс формирования множества недоминируемых решений может включаться несколько проектировщиков.

Описанный алгоритм выделяет из этого множества одно решение, основываясь на индивидуальных предпочтениях проектировщика.

Были исследованы множества недоминируемых решений мощности М = 5, 8, 10, 15, 20, записанные в виде графиков и таблиц. График облегчает для проектировщика назначение коэффициентов предпочтительности альтернатив, необходимых для работы алгоритма.

Анализ результатов исследования. Проведенное исследование работы многоатрибутивного метода учета неопределенности и субъективности оценок показывает, с одной стороны, что увеличение мощности множества недоминируемых решений, предоставляемое проектировщику, может вести к улучшению решения. С другой стороны, его увеличение нецелесообразно тогда, когда проектировщик не в состоянии дать непротиворечивую оценку всех предоставленных ему альтернатив.

После приведенных расчетов видно, что оптимальная мощность составляет 8...10 альтернатив, предоставляющих проектировщику достаточно большой выбор и содержащих решение, способное удовлетворить его запросы.

Заключение. При проектировании БСОИ выделение множества недоминируемых альтернатив не является удовлетворительным решением. Это связано с тем, что при достаточно большом исходном множестве вариан тов архитектур БСОИ множество недоминируемых альтернатив оказывается недопустимо большим для того, чтобы проектировщик был в состоянии осуществить окончательный выбор самостоятельно. Таким образом, выделение множества недоминируемых альтернатив можно рассматривать лишь как предварительный этап выбора оптимального состава системы.

Для полного и окончательного решения этой задачи потребуется некоторая дополнительная информация, которую придется получить от эксперта. Это может быть информация о критериях отбора, о самих сравниваемых структурах БСОИ и т. д. Предложенный в статье многоатрибутивный метод способен с помощью этой информации сузить множество альтернатив выбора и гарантировать проектировщику, что ни один из вариантов, представляющих для него интерес, не будет потерян в процессе поиска оптимального состава БСОИ.

Немаловажен и тот факт, что данный метод поддается автоматизации, каторая существенно сокращает время построения множества оптимальных альтернатив состава БСОИ на всех стадиях проектирования, а окончательный выбор окончательной альтернативы будет осуществляться в дальнейшем при помощи ЛПР