Математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов для решения задач анализа несовместных систем с массивно параллельной обработкой данных
|
Введение 5
1. Базовое математическое обеспечение вычислительного
комплекса 38
1.1. Несовместные монотонные системы условий 38
Распознавание образов и синтез комитетов 40
Булевы функции 41
1.2. Структурные и комбинаторные свойства несовместных
монотонных систем условий 43
1.3. Абстрактные симплициальные комплексы 50
2. Теоретико-графовые методы математического
моделирования несовместных систем 58
2.1. Граф системы независимости 59
2.2. Граф МСП несовместной системы линейных неравенств 74
3. Комбинаторно—геометрические методы математического
моделирования несовместных систем 102
3.1. Грани и диагонали выпуклых многогранников 102
3.1.1. Три попятил диагоналей и их взаимосвязи 103
3.1.2. Диагонали и классификация многогранников 112
3.2. Положительные базисы линейных пространств 115
3.2.1. Максимальные односторонние подмножества
положительного базиса 118
3.2.2. Симплициалыюе представление положительного базиса . . 121
3.2.3. Регулярные положительные базисы 123
3.3. Многогранники и несовместные системы неравенств 127
3.3.1. Комбинаторные свойства многогранников 129
3.3.2. Комбинаторно дуальные системы 135
3.3.3. Оценки количества подсистем 138
3.3.4. Диагонали циклических многогранников 146
4. Численные методы решения задач анализа несовместных
систем 152
4.1. Системы неравенств и комитеты 152
4.1.1. Граф МСП и комитеты 152
Алгоритм КОМБ выделения МСП 153
Алгоритм формирования блокатора 154
Экономная реализация алгоритма КОМБ 158
Алгоритмы ГРАФ КОМБ выделения МСП 160
Приближенные алгоритмы 162
Нечетные циклы в графе МСП и комитеты 164
4.1.2. Альтернативные покрытия 164
Альтернативные покрытия и комитеты 165
Альтернативные покрытия и логические
решающие деревья 169
4.1.3. Оптимальное разбиение множества классов 170
Решающая функция для узла 170
Предварительное разбиение множества классов. . . 177
Алгоритмы дихотомии 180
4.2. Булевы функции и комплексы 187
4.2.1. Оптимальная расшифровка булевых функций 188
4.2.2. Булевы функции и системы неравенств 198
4.2.3. Булевы функции и графы 200
Эвристический алгоритм поиска наибольшего
независимого множества 202
Алгоритм с абсолютной оценкой точности 203
Свойства алгоритма в классе деревьев 208
Вычислительные эксперименты 210
4.3. Графы и параллельная обработка данных 211
4.3.1. Алгоритм декомпозиции 223
5. Прикладные задачи анализа несовместных систем 236
5.1. Задача управления транспортными процессами в условиях противоречивости 236
5.1.1. Задача планирования грузовых железнодорожных перевозок 237
5.1.2. Задача о назначении и перемещении локомотивов 242
5.1.3. Параллельная обработка данных в задаче о назначении и
перемещении локомотивов 246
5.2. Задача управления технологическими маршрутами па дискретном производстве 249
5.2.1. Общая постановка задачи 251
5.2.2. Задача прогнозирования брака в производстве 257
5.2.3. Параллельная обработка данных в задаче управления
технологическими маршрутами 261
6. Вычислительный комплекс для решения прикладных задач анализа несовместных систем 264
6.1. Управление технологическими маршрутами па
металлургическом производстве 266
6.2. Управление транспортными процессами в условиях
противоречивости 275
Заключение 288
Список литературы 292
1. Базовое математическое обеспечение вычислительного
комплекса 38
1.1. Несовместные монотонные системы условий 38
Распознавание образов и синтез комитетов 40
Булевы функции 41
1.2. Структурные и комбинаторные свойства несовместных
монотонных систем условий 43
1.3. Абстрактные симплициальные комплексы 50
2. Теоретико-графовые методы математического
моделирования несовместных систем 58
2.1. Граф системы независимости 59
2.2. Граф МСП несовместной системы линейных неравенств 74
3. Комбинаторно—геометрические методы математического
моделирования несовместных систем 102
3.1. Грани и диагонали выпуклых многогранников 102
3.1.1. Три попятил диагоналей и их взаимосвязи 103
3.1.2. Диагонали и классификация многогранников 112
3.2. Положительные базисы линейных пространств 115
3.2.1. Максимальные односторонние подмножества
положительного базиса 118
3.2.2. Симплициалыюе представление положительного базиса . . 121
3.2.3. Регулярные положительные базисы 123
3.3. Многогранники и несовместные системы неравенств 127
3.3.1. Комбинаторные свойства многогранников 129
3.3.2. Комбинаторно дуальные системы 135
3.3.3. Оценки количества подсистем 138
3.3.4. Диагонали циклических многогранников 146
4. Численные методы решения задач анализа несовместных
систем 152
4.1. Системы неравенств и комитеты 152
4.1.1. Граф МСП и комитеты 152
Алгоритм КОМБ выделения МСП 153
Алгоритм формирования блокатора 154
Экономная реализация алгоритма КОМБ 158
Алгоритмы ГРАФ КОМБ выделения МСП 160
Приближенные алгоритмы 162
Нечетные циклы в графе МСП и комитеты 164
4.1.2. Альтернативные покрытия 164
Альтернативные покрытия и комитеты 165
Альтернативные покрытия и логические
решающие деревья 169
4.1.3. Оптимальное разбиение множества классов 170
Решающая функция для узла 170
Предварительное разбиение множества классов. . . 177
Алгоритмы дихотомии 180
4.2. Булевы функции и комплексы 187
4.2.1. Оптимальная расшифровка булевых функций 188
4.2.2. Булевы функции и системы неравенств 198
4.2.3. Булевы функции и графы 200
Эвристический алгоритм поиска наибольшего
независимого множества 202
Алгоритм с абсолютной оценкой точности 203
Свойства алгоритма в классе деревьев 208
Вычислительные эксперименты 210
4.3. Графы и параллельная обработка данных 211
4.3.1. Алгоритм декомпозиции 223
5. Прикладные задачи анализа несовместных систем 236
5.1. Задача управления транспортными процессами в условиях противоречивости 236
5.1.1. Задача планирования грузовых железнодорожных перевозок 237
5.1.2. Задача о назначении и перемещении локомотивов 242
5.1.3. Параллельная обработка данных в задаче о назначении и
перемещении локомотивов 246
5.2. Задача управления технологическими маршрутами па дискретном производстве 249
5.2.1. Общая постановка задачи 251
5.2.2. Задача прогнозирования брака в производстве 257
5.2.3. Параллельная обработка данных в задаче управления
технологическими маршрутами 261
6. Вычислительный комплекс для решения прикладных задач анализа несовместных систем 264
6.1. Управление технологическими маршрутами па
металлургическом производстве 266
6.2. Управление транспортными процессами в условиях
противоречивости 275
Заключение 288
Список литературы 292
Оптимизация технологических процессов на производстве и в транспорте
традиционно являются важнейшими областями применения математических
методов, программного обеспечения и новейших достижений аппаратного
обеспечения вычислительных средств. Современный этап развития теории
и практики оптимизации технологических процессов на производстве и в
транспорте характеризуется существенным ростом объемов обрабатываемых
данных. Сегодня появились возможности фиксации большого числа
параметров и условий, при которых осуществляются технологические
процессы, практически для каждого отдельного изделия или оказываемого
сервиса. В результате в системах хранения данных накапливаются
и архивируются большие объемы исторических данных о реализованных
технологических процессах. При этом важную роль начинают играть
системы предиктивной аналитики, основанные на обработке больших объемов
исторических данных, и системы оптимизации технологических процессов
в качестве инструментов внедрения полученных прогнозных аналитик. В
настоящей работе оптимизация технологических процессов занимает важную
роль и реализуется при решении двух классов прикладных задач: оптимизация
технологических процессов на металлургическом производстве и оптимизация
технологических процессов при планировании и организации грузовых
железнодорожных перевозок.
Оптимизация технологических процессов на металлургическом
производстве является актуальной областью исследования, поскольку
металлургия представляет собой одну из важнейших отраслей экономики с
большим экспортным потенциалом. Оптимизация технологических процессов
при планировании и организации грузовых железнодорожных перевозок, в
свою очередь, играет важнейшую роль для обеспечения территориальной
целостности страны, и также является важным интеграционным фактором,
влияющим на развитие экономики. В обеих задачах очень важную роль
играет инфраструктура, представляющая собой машины и металлургические
агрегаты в первом случае, и инфраструктуру железнодорожной сети —
во втором. Развитие инфраструктуры требует значительных капитальных
вложений и является, вследствие этого, достаточно инерционным процессом. В6
то же время потребности в росте качества производимой продукции, объемов
(металлургического производства) и качества оказываемых сервисных услуг
(транспорта) отличается значительно большей динамикой. Закономерным
следствием этого является возрастающее влияние инфраструктурных
ограничений в процессах оптимизации технологических процессов и появление
конфликтов или противоречий в системах ограничений, то есть, другими
словами, несовместных условий.
В связи с этим актуальным является систематическое изучение свойств
несовместных систем условий с применением различных математических
подходов, которые являются одним из основных объектов исследования в
настоящей диссертации.
В настоящей работе предлагается разработка математических моделей
и методов анализа различных классов несовместных систем условий, а
также разработка численных методов и алгоритмов анализа несовместных
систем условий на основе полученных математических результатов. На
базе разработанных численных методов и алгоритмов разрабатывается
математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов,
ориентированных на решение рассматриваемых в работе прикладных проблем,
характеризующихся большими объемами исторических данных. Наконец,
большое внимание в работе уделяется разработке методов параллельной
обработки данных с использованием средств теории графов. Эти
методы используются для создания управляющих программ вычислительных
комплексов, организующих массивно параллельную обработку данных.
традиционно являются важнейшими областями применения математических
методов, программного обеспечения и новейших достижений аппаратного
обеспечения вычислительных средств. Современный этап развития теории
и практики оптимизации технологических процессов на производстве и в
транспорте характеризуется существенным ростом объемов обрабатываемых
данных. Сегодня появились возможности фиксации большого числа
параметров и условий, при которых осуществляются технологические
процессы, практически для каждого отдельного изделия или оказываемого
сервиса. В результате в системах хранения данных накапливаются
и архивируются большие объемы исторических данных о реализованных
технологических процессах. При этом важную роль начинают играть
системы предиктивной аналитики, основанные на обработке больших объемов
исторических данных, и системы оптимизации технологических процессов
в качестве инструментов внедрения полученных прогнозных аналитик. В
настоящей работе оптимизация технологических процессов занимает важную
роль и реализуется при решении двух классов прикладных задач: оптимизация
технологических процессов на металлургическом производстве и оптимизация
технологических процессов при планировании и организации грузовых
железнодорожных перевозок.
Оптимизация технологических процессов на металлургическом
производстве является актуальной областью исследования, поскольку
металлургия представляет собой одну из важнейших отраслей экономики с
большим экспортным потенциалом. Оптимизация технологических процессов
при планировании и организации грузовых железнодорожных перевозок, в
свою очередь, играет важнейшую роль для обеспечения территориальной
целостности страны, и также является важным интеграционным фактором,
влияющим на развитие экономики. В обеих задачах очень важную роль
играет инфраструктура, представляющая собой машины и металлургические
агрегаты в первом случае, и инфраструктуру железнодорожной сети —
во втором. Развитие инфраструктуры требует значительных капитальных
вложений и является, вследствие этого, достаточно инерционным процессом. В6
то же время потребности в росте качества производимой продукции, объемов
(металлургического производства) и качества оказываемых сервисных услуг
(транспорта) отличается значительно большей динамикой. Закономерным
следствием этого является возрастающее влияние инфраструктурных
ограничений в процессах оптимизации технологических процессов и появление
конфликтов или противоречий в системах ограничений, то есть, другими
словами, несовместных условий.
В связи с этим актуальным является систематическое изучение свойств
несовместных систем условий с применением различных математических
подходов, которые являются одним из основных объектов исследования в
настоящей диссертации.
В настоящей работе предлагается разработка математических моделей
и методов анализа различных классов несовместных систем условий, а
также разработка численных методов и алгоритмов анализа несовместных
систем условий на основе полученных математических результатов. На
базе разработанных численных методов и алгоритмов разрабатывается
математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов,
ориентированных на решение рассматриваемых в работе прикладных проблем,
характеризующихся большими объемами исторических данных. Наконец,
большое внимание в работе уделяется разработке методов параллельной
обработки данных с использованием средств теории графов. Эти
методы используются для создания управляющих программ вычислительных
комплексов, организующих массивно параллельную обработку данных.
В результате научного исследования, проведенного в диссертационной
работе, получены следующие результаты.
1. Предложены новые методы разработки прикладного программного
обеспечения, основанные на анализе несовместных систем и моделях массивно
параллельной обработки данных. В рамках этих методов разрабатывается
математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов
для решения задач в таких важных предметных областях как управление
технологическими маршрутами на дискретном производстве и управление
транспортными процессами в условиях противоречивости. Разработана
общая архитектура вычислительного комплекса и функционал составляющих
элементов.
2. Предложена структурная схема вычислительного комплекса,
для которого в работе разрабатывается математическое и программное
обеспечение. На этапе разработки математического обеспечения, вводится
аксиоматическое определение монотонных несовместных систем условий
общего вида. Рассмотрены основные классы моделей несовместных систем
условий. Установлена взаимосвязь исследуемых задач анализа несовместных
систем с задачей распознавания образов в геометрической постановке и с
задачей расшифровки монотонных булевых функций.
3. Разработаны новые методы математического моделирования и анализа
несовместных систем условий с позиций теории графов и комбинаторной
оптимизации (графы систем независимости), комбинаторной геометрии
(свойства семейств диагоналей и граней выпуклых многогранников) и теории
булевых функций (максимальные верхние нули монотонных булевых функций).
4. Всесторонне рассмотрены свойства графов систем независимости для
различных классов. Для ряда классов систем независимости, представляющих
прикладной интерес, доказана связность графа системы независимости,
вытекающая из связности соответствующего топологического пространства
и являющаяся важнейшим свойством графа системы независимости. Это
свойство эффективно используется при построении алгоритмов выделения
экстремальных подсистем несовместных систем. Из этого результата выводится289
целый ряд следствий о связности графов для различных классов систем
независимости, в том числе для несовместных систем линейных неравенств.
5. Для класса систем независимости, порождаемых несовместными
системами линейных неравенств, получены достаточные условия для более
сильных типов связности графа МСП. Доказана теорема о существовании
цикла нечетной длины в графе МСП. Получены оценки диаметра графа МСП,
оценки степеней вершин графа МСП, а также оценка сверху длины нечетного
цикла в графе МСП.
6. Впервые введено понятие G–диагонали выпуклого многогранника
и установлена взаимосвязь между семействами МСП и МНП любой
несовместной системы линейных неравенств и семействами G–диагоналей и
граней соответствующего выпуклого многогранника, что позволило применить
глубоко разработанный арсенал методов и средств комбинаторной геометрии
для анализа несовместных систем линейных неравенств и получить оценки
снизу для максимального числа МСП и новые результаты о комбинаторных
свойствах выпуклых многогранников, которые описываются в терминах графов
систем независимости двойственных конструкций. Показано, что классическая
классификация многогранников по комбинаторному типу, определяемая
изоморфизмом решеток граней, соответствует комбинаторной классификации
по типу изоморфизма семейств G–диагоналей. Исследованы комбинаторные
свойства конечномерных евклидовых пространств, представляющих все
многообразие элементов семейства МНП несовместных систем линейных
неравенств.
7. Построен новый приближенный алгоритм построения минимального
комитета несовместной системы линейных неравенств и получена его
оценка относительно решений, получаемых известными алгоритмами
построения минимальных комитетов таких систем. Введен новый критерий
оптимальности комитетной конструкции – мощность альтернативного
покрытия. Предложено использовать минимальный комитет несовместной
системы линейных неравенств, который имеет минимальную мощность в
терминах альтернативных покрытий.
8. Построены новые полиномиальные эвристические алгоритмы
дихотомии для решения многоклассовой задачи распознавания образов
в геометрической постановке на этапе разделения обучающей выборки.290
Эффективность разработанных алгоритмов показана в сравнении с
алгоритмами полного перебора всех возможных решений и подтверждается
результатами вычислительных экспериментов для случайных наборов векторов
с подробным описанием генератора случайности.
9. Разработаны новые точные и приближенные комбинаторные и
комбинаторно–графовые алгоритмы выделения всех МСП несовместных систем
линейных неравенств. Актуальность приближенных алгоритмов связана с
тем, что, с практической точки зрения оказывается достаточным выделение
некоторого связного подграфа графа МСП, содержащего цикл нечетной длины.
10. Введен новый естественный критерий оптимальности алгоритма
расшифровки монотонной булевой функции (МБФ), нормированный на общее
число верхних нулей и нижних единиц МБФ и учитывающий объективную
сложность задачи. Для МБФ, порождаемых несовместными системами
линейных неравенств, построен оптимальный по этому критерию алгоритм.
11. Разработан новый полиномиальный эвристический алгоритм
расшифровки МБФ, порождаемых неориентированными графами с абсолютной
оценкой точности приближенного решения. Показана взаимосвязь задачи
расшифровки МБФ и классической задачи комбинаторной оптимизации
о наибольшем независимом множестве. Проведены вычислительные
эксперименты на известных примерах графов из библиотеки DIMACS , для
которых показана эффективность разработанного алгоритма в сравнении с
известными быстрыми алгоритмами.
12. Разработан новый подход к оптимизации управления
технологическими маршрутами на дискретном производстве, состоящий в
формировании сети задач распознавания образов, решаемых с помощью
разработанных в работе методов анализа несовместных систем.
работе, получены следующие результаты.
1. Предложены новые методы разработки прикладного программного
обеспечения, основанные на анализе несовместных систем и моделях массивно
параллельной обработки данных. В рамках этих методов разрабатывается
математическое и программное обеспечение вычислительных комплексов
для решения задач в таких важных предметных областях как управление
технологическими маршрутами на дискретном производстве и управление
транспортными процессами в условиях противоречивости. Разработана
общая архитектура вычислительного комплекса и функционал составляющих
элементов.
2. Предложена структурная схема вычислительного комплекса,
для которого в работе разрабатывается математическое и программное
обеспечение. На этапе разработки математического обеспечения, вводится
аксиоматическое определение монотонных несовместных систем условий
общего вида. Рассмотрены основные классы моделей несовместных систем
условий. Установлена взаимосвязь исследуемых задач анализа несовместных
систем с задачей распознавания образов в геометрической постановке и с
задачей расшифровки монотонных булевых функций.
3. Разработаны новые методы математического моделирования и анализа
несовместных систем условий с позиций теории графов и комбинаторной
оптимизации (графы систем независимости), комбинаторной геометрии
(свойства семейств диагоналей и граней выпуклых многогранников) и теории
булевых функций (максимальные верхние нули монотонных булевых функций).
4. Всесторонне рассмотрены свойства графов систем независимости для
различных классов. Для ряда классов систем независимости, представляющих
прикладной интерес, доказана связность графа системы независимости,
вытекающая из связности соответствующего топологического пространства
и являющаяся важнейшим свойством графа системы независимости. Это
свойство эффективно используется при построении алгоритмов выделения
экстремальных подсистем несовместных систем. Из этого результата выводится289
целый ряд следствий о связности графов для различных классов систем
независимости, в том числе для несовместных систем линейных неравенств.
5. Для класса систем независимости, порождаемых несовместными
системами линейных неравенств, получены достаточные условия для более
сильных типов связности графа МСП. Доказана теорема о существовании
цикла нечетной длины в графе МСП. Получены оценки диаметра графа МСП,
оценки степеней вершин графа МСП, а также оценка сверху длины нечетного
цикла в графе МСП.
6. Впервые введено понятие G–диагонали выпуклого многогранника
и установлена взаимосвязь между семействами МСП и МНП любой
несовместной системы линейных неравенств и семействами G–диагоналей и
граней соответствующего выпуклого многогранника, что позволило применить
глубоко разработанный арсенал методов и средств комбинаторной геометрии
для анализа несовместных систем линейных неравенств и получить оценки
снизу для максимального числа МСП и новые результаты о комбинаторных
свойствах выпуклых многогранников, которые описываются в терминах графов
систем независимости двойственных конструкций. Показано, что классическая
классификация многогранников по комбинаторному типу, определяемая
изоморфизмом решеток граней, соответствует комбинаторной классификации
по типу изоморфизма семейств G–диагоналей. Исследованы комбинаторные
свойства конечномерных евклидовых пространств, представляющих все
многообразие элементов семейства МНП несовместных систем линейных
неравенств.
7. Построен новый приближенный алгоритм построения минимального
комитета несовместной системы линейных неравенств и получена его
оценка относительно решений, получаемых известными алгоритмами
построения минимальных комитетов таких систем. Введен новый критерий
оптимальности комитетной конструкции – мощность альтернативного
покрытия. Предложено использовать минимальный комитет несовместной
системы линейных неравенств, который имеет минимальную мощность в
терминах альтернативных покрытий.
8. Построены новые полиномиальные эвристические алгоритмы
дихотомии для решения многоклассовой задачи распознавания образов
в геометрической постановке на этапе разделения обучающей выборки.290
Эффективность разработанных алгоритмов показана в сравнении с
алгоритмами полного перебора всех возможных решений и подтверждается
результатами вычислительных экспериментов для случайных наборов векторов
с подробным описанием генератора случайности.
9. Разработаны новые точные и приближенные комбинаторные и
комбинаторно–графовые алгоритмы выделения всех МСП несовместных систем
линейных неравенств. Актуальность приближенных алгоритмов связана с
тем, что, с практической точки зрения оказывается достаточным выделение
некоторого связного подграфа графа МСП, содержащего цикл нечетной длины.
10. Введен новый естественный критерий оптимальности алгоритма
расшифровки монотонной булевой функции (МБФ), нормированный на общее
число верхних нулей и нижних единиц МБФ и учитывающий объективную
сложность задачи. Для МБФ, порождаемых несовместными системами
линейных неравенств, построен оптимальный по этому критерию алгоритм.
11. Разработан новый полиномиальный эвристический алгоритм
расшифровки МБФ, порождаемых неориентированными графами с абсолютной
оценкой точности приближенного решения. Показана взаимосвязь задачи
расшифровки МБФ и классической задачи комбинаторной оптимизации
о наибольшем независимом множестве. Проведены вычислительные
эксперименты на известных примерах графов из библиотеки DIMACS , для
которых показана эффективность разработанного алгоритма в сравнении с
известными быстрыми алгоритмами.
12. Разработан новый подход к оптимизации управления
технологическими маршрутами на дискретном производстве, состоящий в
формировании сети задач распознавания образов, решаемых с помощью
разработанных в работе методов анализа несовместных систем.



