СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЕРАЦИЙ В ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
Ю.А. Ивашкин
Кафедра компьютерных технологий и систем
ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
МОСКОВСКИЙ
(МГУПБ)
Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию в области машиностроения и приборостроения в качестве учебного пособия для студентов вузов агропромышленного профиля по специальности 230102 “Автоматизированные системы обработки
информации и управления”
УДК 519.47.07
ББК 72; 32; 81
И 24
Рецензенты: О.М. Петров, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой АСОИУ Московской государственной академии приборостроения и информатики;
В.И. Белопушкин, проф. кафедры автоматизированных систем управления Московского государственного горного университета
Ивашкин Ю.А. Системный анализ и исследование операций в прикладной биотехнологии: Учеб. Пособие. – М.: МГУПБ, 2004. - с.
ISBN 5 – 89168 - 106 - 4
Учебное пособие в двух частях написано в соответствии с учебным планом подготовки системных аналитиков по специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления», а также может быть полезно для студентов вузов агропромышленного профиля по специальностям «Организация и планирование производства», «Менеджмент и маркетинг» «Товароведение и стандартизация», «Пищевая биотехнология» и др. В первой части изложены модели и алгоритмы системного анализа и структурно-параметрического моделирования больших технологических систем перерабатывающих отраслей агропромышленного комплекса. Вторая часть посвящена инструментальным методам исследования операций и принятия решений в прикладной биотехнологии в условиях определенности, риска и неопределенности.
Утверждено в качестве учебного пособия советом по издательской деятельности МГУПБ
Предлагаемое учебное пособие подготовлено в результате многолетнего ведения курсов «Системный анализ», «Исследование операций» и «Теория принятия решений» студентам различных специальностей Московского государственного университета прикладной биотехнологии, а также научного сотрудничества с кафедрой «Исследование операций и теории систем (Operations Research und Systemstheorie)» университета Пассау (Германия). Целью преподавания было не только собственно изучение инструментальных методов и средств системных исследований и принятия решений в сложных ситуациях, но и формирование культуры мышления системного аналитика и разработчика информационных технологий в прикладном биотехнологическом направлении агропромышленной переработки биосырья.
В первой части наряду с классическими разделами теории систем излагается теория структурно-параметрического моделирования технологических объектов как большой системы с множеством определяющих факторов, параметров состояния и целевых функций, взаимосвязей и отношений, определяющих возможности и альтернативы достижения цели. Рассматривается ситуационная матричная модель состояния технологической системы и алгоритмы его идентификации и прогнозирования. При этом приводится обобщенная информационная технология накопления характеристик связей с построением структурно-параметрической ситуационной модели и формализованными процедурами диагностики и прогноза состояния большой системы.
Во второй части описываются методы и алгоритмы принятия решений в условиях определенности, основанные на исследовании операций и многомерной оптимизации, а также принятие решений в условиях риска и неопределенности с использованием методов статистических решений, факторного эксперимента и симплексных стратегий при неформализованной целевой функции. Рассматриваются многокритериальные задачи и алгоритмы их решения на примерах систем контроля качества и безопасности продуктов питания, структурно-параметрической оптимизации производства, рецептурной оптимизации многокомпонентных продуктов и рационов адекватного питания различных групп населения и т.п. Особое внимание уделяется составлению детальных алгоритмов реализации математических методов и их использованию в информационных технологиях принятия решений в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса.
Пособие содержит большое количество числовых примеров и блок-схем, облегчающих усвоение и использование формализованных процедур и технологий принятия оптимальных решений в различных областях административно-хозяйственного управления технологическим комплексом по переработке биосырья.
ЧАСТЬ 1
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Введение
Дисциплина «Системный анализ и исследование операций» рассматривает методы, модели и алгоритмы исследования сложных ситуаций, явлений и процессов любой физической и социальной природы с целью обоснования и принятия решений по достижению определенной цели.
Дисциплина возникла в конце 70-х - начале 80-х годов в силу необходимости теоретических обоснований комплексных исследований и поиска решения проблем в противоречивых жестких условиях.
Системные исследования являются одним из основных методов решения сложных задач в ситуациях, характеризующихся совместным действием большого числа факторов разной физической природы. Так, например, при организации перерабатывающего предприятия АПК помимо чисто производственных и технологических вопросов необходимо учитывать массу других проблем – обеспечение сырьем, транспортом и энергией, социальные вопросы быта и техники безопасности, экологии и рынка, утилизации отходов и многое другое. То есть требуется всесторонняя системная проработка производственно-экономических, социальных, экологических, энергетических и других аспектов. Это особенно важно при принятии ответственных административных решений, связанных, например, со строительством новых объектов – городов, электростанций, транспортных сетей, разработок ископаемых - когда огромное количество факторов влияет на экологическую среду и сферу выживания.
Системный анализ является современным методом изучения сложных явлений и процессов любой физической природы для подготовки и обоснования решений по сложным проблемам социально-экономического и научно-технического характера во всех сферах деятельности. При этом исследуемый объект рассматривается как система взаимодействующих элементов, в свою очередь, являющаяся элементом некоторой внешней системы.
Принятие решения связано, как правило, с выбором одного из множества возможных вариантов достижения определенной цели в сложных ситуациях с множеством состояний, условий и ограничений, способов поведения, неопределенностью реакции на принятые действия и т.п.
Сложные объектыи системысуществуют и возникают во всем окружающем нас макро- и микромире от молекулы и атома до галактик. Это биологические объекты и технологические процессы; станки, агрегаты и технологические линии; транспортные, энергетические и информационные системы; заводы и промышленные комплексы, электростанции и энергетические сети; социальные, экономические системы; системы военного и государственного назначения и т.п. В общем случае любой сложный объект описывается параметрической моделью «черного ящика» с указанием всех параметров, определяющих его состояние (рис.1.1).
v1 vp Возмущающие воздействия
…
z1
Входные y1 Выходные
переменные переменные
………ym
zk
…
Параметры u1 ue Управляющие переменные
состояния объекта
Рис. 1.1. Параметрическое описание объекта
Формализованное описание объекта заключается в определении его целевой функции (функции цели), выражающей связь между показателем цели (критерием) и параметрами состояния, входов и выходов, факторов возмущения и управления. Достижение цели соответствует экстремальным значениям целевой функции, а задача принятия решения сводится к нахождению максимального (или минимального) значения целевой функции и векторов параметров , при которых оно достигается, т.е.
В реальных условиях целевая функция выражается некоторым функционалом (интегральным показателем) качества Y(y1… ym), зависящим от вектора выходных факторов.
Однако при исследовании объекта представление в виде «черного ящика» оказывается явно недостаточным, так как требуется выяснить, что лежит внутри этого ящика, что в нем обеспечивает достижение поставленной цели. В этом случае объект представляется в виде некоторой системы с множеством взаимосвязанных элементов – подсистем, блоков, компонентов и т.п., - взаимодействие которых обусловливает ее состояние и возможности достижения цели. Так, например, биотехнический комплекс (БТК) по переработке биосырья животного происхождения является большой технологической системой с множеством технологических операций и материальных потоков, оборудования и транспортных средств, функциональных подсистем и инфраструктур.
Таким образом, в изучении сложных явлений центральными понятиями системного анализа являются понятия системы и системного подхода.
v1 vp Возмущающие воздействия
, при которых оно достигается, т.е.