Математическое обеспечение (МО) – это комплекс аппаратно и программно реализованных алгоритмов, функционирующих в автоматизированной системе и характеризующих ее логические и математические возможности. К математическому обеспечению относят также теорию и практику создания алгоритмов.
Таким образом, основным понятием математического обеспечения является понятие алгоритма, под которым в кибернетике понимается последовательность предписаний, формальное исполнение которых позволяет за конечное время получить решение некоторой задачи. Далее будут рассматриваться только алгоритмы, которые используются при разработке прикладных программ. Этими алгоритмами реализуются функциональные задачи АСУЖТ.
По характеру решаемых задач алгоритмы прикладного программного обеспечения можно разделить на четыре основных типа.
Алгоритмы обработки данных. Процесс управления любой организационной системой включает большое количество процедур обработки данных, выполняемых по определенным, заранее сформулированным правилам. Многие процедуры управления позволяют решать регулярные, объективно необходимые задачи обработки данных. Эти задачи хорошо структурированы, т.е. представляют собой набор операций, выполняемых в определенной последовательности над конкретными данными. Примерами подобных процедур являются расчеты экономических и технологических показателей, составление отчетов и планов. Сюда же относятся процедуры оперативной регистрации и контроля за технологическими операциями, а также подготовка технологических документов, используемых в оперативной работе.
Для описания таких процедур, кроме формулировки технологической сущности задачи, требуется четко определить все процедуры и правила расчета, а также правила форматного и логического контроля данных.
Алгоритмы прогнозирования. Автоматизированная система способна не только хранить данные о текущем перевозочном процессе, но и прогнозировать развитие перевозочного процесса во времени. Задачи прогнозирования оперативной ситуации позволяют повысить качество принимаемых решений. С помощью прогнозирования можно уточнять планы и заранее готовиться к предстоящим затруднениям. Кроме алгоритмов оперативного прогнозирования показателей эксплуатационной работы, имеются алгоритмы прогнозирования, применяемые для оценки долгосрочных решений. В настоящее время разработано большое число алгоритмов прогнозирования. Каждый из них ориентирован на определенный класс задач.
Алгоритмы оптимального планирования. Это множество алгоритмов, построенных на основе методов исследования операций. Исследование операций не ставит себе задачей полную автоматизацию принятия решений и исключение из этого процесса человеческого сознания.
Алгоритмы оптимизации позволяют подготавливать количественные данные и рекомендации, облегчающие ЛПР принятия решений. При этом все алгоритмы оптимального планирования имеют численный показатель эффективности, по которому оптимальные решения предпочтительней всех других.
Алгоритмы анализа функционирования автоматизированных систем. С помощью этих алгоритмов можно заранее оценить показатели функционирования автоматизированной системы и подобрать соответствующее техническое и программное обеспечение.
При построении алгоритмов необходимым этапом является построение математической модели, под которой понимается система математических соотношений, описывающих изучаемый процесс. Математическая модель строится по словесному описанию системы. Составление модели является первым шагом к построению алгоритма. Проведение экспериментов на модели называется моделированием.
Грубо математические модели, применяемые в настоящее время, можно подразделить на два класса: аналитические и имитационные.
Для аналитических моделей характерно установление формульных аналитических зависимостей между параметрами задачи, записанных в любом виде: алгебраические уравнения, дифференциальные уравнения и т.д. Сюда же относятся модели, представленные в виде графов и сетей, а также модели обработки данных, представленные в виде блок-схем алгоритмов. Чтобы создание аналитической модели было возможно, как правило, нужно принять те или иные допущения и упрощения. В задачах большого масштаба, в которых переплетается действие большого числа факторов, в том числе и случайных, на первый план выходит метод имитационного моделирования. Он состоит в том, что исследуемый процесс как бы воспроизводится в процессе выполнения моделирующей программы со всеми сопровождающими его случайностями. Всякий раз, когда в ход моделирования вмешивается какой-либо случайный фактор, его влияние учитывается посредством «розыгрыша», напоминающего бросания жребия.
Имитационные модели имеют перед аналитическими то преимущество, что они позволяют учесть большое число факторов и не требуют грубых упрощений и допущений.
С недавнего времени появился новый класс моделей, которые можно назвать интеллектуальными моделями принятия решений. В них представляются знания специалистов в определенных узких областях и процедуры, имитирующие мыслительную деятельность людей по применению этих знаний. Эти модели используются в тех задачах, где формализация либо не возможна, либо требует больших затрат времени на моделирование. На основе интеллектуальных моделей строятся современные экспертные системы, которые могут применяться для прогнозирования и планирования.
Программное обеспечение
Программа – это последовательность действий (команд, операторов), записанная человеком на языке программирования и предназначенная для выполнения на ЭВМ.
Вся обработка данных в АСУЖТ управляется множеством регулярно применяющихся программ, составляющих программное обеспечение системы. Возможности любой автоматизированной системы во многом определяются ее программным обеспечением (ПО).
По назначению программное обеспечение (ПО) подразделяется на три основных типа: системное ПО, прикладное ПО, системы программирования. В то же время программное обеспечение классифицируется по применению, т.е. для персональных, больших ЭВМ и т.д.
Системное ПО – это комплекс программ, необходимых для организации обработки информации, контроля работы аппаратной части и технического обслуживания ЭВМ.
Прикладное ПО – это комплекс программ, непосредственно реализующих алгоритмы решения функциональных задач подсистем АСУЖТ.
Система программирования – это комплекс программ, позволяющих разрабатывать программы на символических языках программирования. К системе программирования условно можно отнести и системы управления базами данных (СУБД).
Экспертные системы
Экспертные системы (ЭС) – это новый тип программных систем, предназначенный для решения неформализуемых задач в узких предметных областях. Отличительной способностью ЭС является то, что все они моделируют интеллектуальную деятельность на основе компоненты, аккумулирующей знания экспертов-профессионалов, т.е. на базе знаний (БЗ). Экспертные системы позволяют делать заключения в самых разнообразных областях – от консультаций по медицинской диагностике до систем принятия экстренных решений в управлении движением поездов. Вместо традиционной формулы «программа + данные» в ЭС используется формула «знания + механизм логического вывода». Под знаниями понимают всю совокупность сведений о проблемной области.
Наиболее понятное определение экспертных систем предложено комитетом группы специалистов по ЭС Британского компьютерного общества: под экспертной системой понимается система, объединяющая возможности компьютера со знанием и опытом компьютера в такой форме, что система может предложить разумный совет или осуществить разумное решение поставленной задачи. Дополнительно желаемой характеристикой такой системы, которая многими рассматривается как основная, является способность системы пояснять, по требованию, ход своих рассуждений в понятной для спрашивающего форме.
В целом экспертные системы обладают следующими свойствами. Экспертная система: ориентирована на решение задач в неформализуемых областях, которые ранее вообще были недоступны для вычислительной техники; способна к логическому выводу при неполных и нечетких данных; выдает не таблицы или графики, а вполне конкретный совет или решение; способна, как правило, объяснять цепочку своих рассуждений; может служить дружественным «интерфейсом» между пользователем и динамическими базами данных, в которых отображаются транспортные процессы.
Анализ этих свойств приводит к выводу, что большинство подсистем АСУЖТ в будущем будет ими обладать, т.е. фактически превратится в экспертные системы.
Примерами применения ЭС на железнодорожном транспорте являются следующие. В метрополитене Западного Берлина используется экспертная система, консультирующая пассажиров, каким образом быстрее всего добраться до нужной станции и какие при этом потребуются пересадки. При этом ЭС ведет активный диалог с пассажиром на естественном языке и поясняет свои предложения.
В Японии в рамках проекта компьютеров пятого поколения была разработана ЭС, предназначенная для автоматизации составления графиков движения поездов.
В Великобритании разработана ЭС для автоматизации управления движением поезда метрополитена, обеспечивающая значительное сокращение потребления. Система выдает машинисту рекомендации по движению в зависимости от поездной обстановки.