Search

Формалізовано процедуру інтерактивного оцінювання об’єктів складних ієрархічно-мережевих систем. Для ефективної реалізації цієї процедури на багатоядерних комп’ютерах і кластерах запропоновано відповідні алгоритмічні конструкції, що виявляють перспективи розпаралелювання та враховують обмеженість можливостей обчислювальних ресурсів. Наведено оцінки складності та приcкорення паралельних обчислень, які підтверджують високу ефективність використання запропонованих конструкцій. Отримані результати можуть бути застосовані для оцінювання в режимі реального часу з використанням сучасних програмних засобів багатьох складних систем, стан та поведінка яких неперервно змінюються у часі, зокрема транспортних систем, систем енерго- та життєзабезпечення, банківських і торговельних мереж, екосистем окремих регіонів тощо., Формализировано процедуру интерактивного оценивания объектов сложных иерархически-сетевых систем. Для эффективной реализации этой процедуры на многоядерных компьютерах и кластерах предложены соответствующие алгоритмические конструкции, определяющие перспективы распараллеливания и учитывающие ограниченность возможностей вычислительных ресурсов. Приведены оценки сложности и ускорения параллельных вычислений, подтверждающие высокую эффективность применения предложенных конструкций. Полученные результаты могут быть использованы для оценивания в режиме реального времени с применением современных программных средств многих сложных систем, состояние и поведение которых непрерывно изменяются во времени, в частности транспортных систем, систем энерго- и жизнеобеспечения, банковских и торговых сетей, экосистем отдельных регионов и т. п., The procedure for interactive evaluation of complex hierarchical network system components is formalized. Appropriate algorithmic constructions are proposed for an effective implementation of this procedure on multi-core computers and clusters. These constructions determine the prospect of parallelization and take into account the limited possibilities of computing resources. Estimates of complexity and speed up of parallel computations, which confirm the high efficiency of proposed constructions, are given. The obtained results can be used by means of modern software for real-time evaluation of many complex systems, the state and behavior of which constantly change over time, in particular transport systems, energy and life support systems, banking and trade networks, ecosystems of separate regions, etc.

The basic principles of the formation of system hierarchies and complex systems with a hierarchical network structure are analyzed. The flow adjacency matrix for a complex hierarchical network system is determined, which allows us to investigate the functional features of the system, linking them with the components of the structure. The notion of the flow core is introduced, which allows us to construct simplified models of a system of a smaller dimension with simultaneous monitoring of the quantitative measure of maintaining their adequacy. The principles of formation of information and evaluation models of complex hierarchical network systems with consideration of the priority of their components and the level of fullness of data are proposed. The main advantage of the evaluation models is the smaller amounts of information that are much easier to analyze and allow us to timely locate the most threatening components of the system. For the study of heterogeneous inter-system interactions, the notions of association, conglomerate and system environment are introduced, which allow us to analyze the nature and effects of inter-system influences of different types., Проанализированы основные принципы формирования системных иерархий и сложных систем с иерархически-сетевой структурой. Определена потоковая матрица смежности сложной иерархически-сетевой системы, позволяющая исследовать функциональные особенности системы, связывая их с составляющими структуры. Введено понятие потоковой сердцевины, дающее возможность строить упрощенные модели системы меньшей размерности, одновременно отслеживая количественную меру сохранения ее адекватности. Предложены принципы формирования информационных моделей и моделей оценивания сложных иерархически-сетевых систем с учетом приоритетности их составляющих и уровня наполненности данными. Основным преимуществом моделей оценивания являются на порядки меньшие объемы информации, которые существенно легче поддаются анализу и позволяют оперативно локализировать наиболее рискованные составляющие системы. Для исследования разнородных межсистемных взаимодействий введены понятия ассоциации, конгломерата и системной среды, позволяющие анализировать характер и последствия межсистемных воздействий различных типов., Проаналізовано основні принципи формування системних ієрархій та складних систем з ієрархічно-мережевою структурою. Визначено потокову матрицю суміжності складної ієрархічно-мережевої системи, яка дозволяє до-сліджувати функціональні особливості системи, пов’язуючи їх зі складовими структури. Уведено поняття потокової серцевини, яка дає можливість будувати спрощені моделі системи меншої розмірності, одночасно відстежуючи кількісну міру збереження її адекватності. Запропоновано принципи формування інформаційних моделей та моделей оцінювання складних ієрархічно-мережевих систем з урахуванням пріоритетності їх складових та рівня наповненості даними. Основною перевагою моделей оцінювання є на порядки менші обсяги інформації, які значно легше піддаються аналізу та дозволяють оперативно локалізувати найбільш ризиковані складові системи. Для дослідження різнорідних міжсистемних взаємодій уведено поняття асоціації, конгломерату і системного середовища, які дають змогу аналізувати характер та наслідки міжсистемних впливів різних типів.

The notion of the flow core of the network system is introduced and the functional advantages of its structure in comparison with the core of the complex network are analyzed. It has been shown that the flow cores allow us to construct a much more adequate with functional point of view the models of network systems than the cores of complex networks. This is demonstrated on the examples of practically important problems of controllability, observability and synchronization of complex networks. On the base of analysis of the structures of real systems, a generalized definition of the multiplex is proposed and the notion of its kernel is introduced. A few of modeling problems of multiplexes are considered and it is established that the effect of the "small world" in them increases. The flow adjacency matrix for the multiplex system is constructed. On its basis, a few of local and global characteristics of the multiplex system are determined and the properties of its flow core are investigated. Methods of reducing the dimension of models of multiplex systems with simultaneous monitoring of the quantitative measure of maintaining their adequacy are analyzed., Введено понятие потоковой сердцевины сетевой системы и проанализированы функциональные преимущества ее структуры сравнительно с сердцевиной сложной сети. Показано, что потоковые сердцевины позволяют строить существенно более адекватные с функциональной точки зрения модели сетевых систем, чем сердцевины сложных сетей. Это продемонстрировано на примере практически важных задач управляемости, наблюдаемости и синхронизации сложных сетей. На основании анализа структур реальных систем предложено обобщенное определение мультиплекса и введено понятие его ядра. Рассмотрен ряд задач моделирования мультиплексов и установлено, что эффект "тесного мира" в них усиливается. Построена потоковая матрица смежности системы мультиплексного типа. На ее основании определены некоторые локальные и глобальные характеристики мультиплекс-системы и исследованы свойства ее потоковой сердцевины. Проанализированы способы уменьшения размерности моделей мультиплекс-систем с одновременным отслеживанием количественной меры сохранения их адекватности., Уведено поняття потокової серцевини мережевої системи та проаналізовано функціональні переваги її структури порівняно із серцевиною складної мережі. Показано, що потокові серцевини дозволяють будувати значно адекватніші з функціонального погляду моделі мережевих систем, ніж серцевини складних мереж. Це продемонстровано на прикладі практично важливих задач керованості, спостережуваності та синхронізації складних мереж. На підставі аналізу структур реальних систем запропоновано узагальнене визначення мультиплексу та введено поняття його ядра. Розглянуто низку задач моделювання мультиплексів і встановлено, що ефект "тісного світу" у них посилюється. Побудовано потокову матрицю суміжності системи мультиплексного типу. На її основі визначено деякі локальні та глобальні характеристики мультиплекс-системи і досліджено властивості її потокової серцевини. Проаналізовано способи зменшення розмірності моделей мультиплекс-систем з одночасним відстеженням кількісної міри збереження їх адекватності.

Розглянуто структурний та функціональний напрями дослідження складних мережевих систем. Мережева система визначається як складна мережа, по якій рухаються потоки. Проведено класифікацію мережевих систем за ознаками неперервності та рівня впорядкованості руху потоків. Поряд зі структурними характеристиками складних мереж уведено потокові характеристики мережевих систем. Досліджено проблему критичної завантаженості складових мережі, а також проблеми розмірності та адекватності моделей мережевих систем. Показано, як за допомогою потокових характеристик системи ідентифікуються і вилучаються з її структури фіктивні вузли та зв’язки і визначаються приховані елементи системи. Досліджено, як на основі аналізу потокових процесів у системі змінюється структура безмасштабних мереж не лише на стадії росту, але і протягом усього життєвого циклу відповідної мережевої системи. Розглянуто проблему ізольованих зон мережевих систем та запропоновано алгоритм пошуку альтернативних шляхів руху потоків в обхід недосяжних складових мережі., Рассмотрены структурный и функциональный направления исследования сложных сетевых систем. Сетевая система определяется как сложная сеть, по которой осуществляется движение потоков. Проведена классификация сетевых систем по признакам непрерывности и уровня упорядоченности движения потоков. Наряду со структурными характеристиками сложных сетей введены потоковые характеристики сетевых систем. Исследована проблема критической загруженности составляющих сети, а также проблемы размерности и адекватности моделей сетевых систем. Показано, как с помощью потоковых характеристик системы идентифицируются и удаляются с ее структуры фиктивные узлы и связи и определяются скрытые элементы системы. Исследовано, как на основании анализа потоковых процессов в системе изменяется структура безмасштабных сетей не только на стадии роста, но и в течении всего жизненного цикла соответствующей сетевой системы. Рассмотрена проблема изолированных зон сетевых систем и предложен алгоритм поиска альтернативных путей движения потоков в обход недоступных составляющих сети., Structural and functional directions of complex network systems research are considered. The network system is defined as a complex network where flows occur. The classification of network systems is carried out on the basis of continuity and the level of orderliness of flows. Flow characteristics of network systems are introduced along with the structural characteristics of complex networks. The problem of critical loading of network components is studied. Problems of dimension and adequacy of models of network systems are considered. It is shown how the system's flow characteristics allow us to identify and exclude fictitious nodes and links from its structure and determine the hidden elements of the system. It was investigated how on the basis of the analysis of flows processes in the system the structure of scale-free networks changed not only during the growth stage, but also during the whole life cycle of the corresponding network system. The problem of isolated zones of network systems is considered and the algorithm is proposed for finding alternative ways for flows in order to bypass inaccessible components of the network.

Запропоновано методику комплексного детермінованого оцінювання складних систем з ієрархічно-мережевою структурою, складовими якої є методи локального, прогностичного, агрегованого та інтерактивного аналізу стану, якості функціонування та взаємодії об’єктів, які утворюють систему. Описано метод інтерактивного оцінювання взаємодії основних об’єктів системи, який є ефективним засобом неперервного моніторингу якості їх функціонування. Цей метод дозволяє відстежувати динаміку зміни якості оброблення потоків у вузлах та їх проходження ребрами мережі, аналізувати оптимальність графіка руху потоків та його чутливість до малих затримок, оцінювати напруженість роботи основних об’єктів системи. Прогнозування поведінки інтерактивних оцінок дає змогу, не очікуючи чергового планового дослідження, виявляти елементи, які містять загрозу для нормального функціонування мережі, а їх агрегація дозволяє виявляти незадовільно функціонуючі об’єкти системи різних рівнів ієрархії. Ефективність методу ілюструється на прикладі аналізу взаємодії об’єктів залізничної транспортної системи України. Methods of the comprehensive deterministic evaluation of the complex systems with the hierarchical-network structure, components of which are methods of local, forecasting, aggregative, and interactive analysis of the state, the quality of functioning and interaction of objects that form such a system are proposed. The method is described for an interactive evaluation of the basic system’s objects interaction which is the effective means of continuous monitoring of the quality of their functioning. This method allows to track the dynamics of the change in the quality of processing of the flows at the nodes and their passing through the edges of the network, to analyze the schedule optimality of flows and its sensitivity to small delays, to evaluate the workload of the main system objects. Forecasting the behavior of interactive evaluations makes it possible, without waiting for the next scheduled study, to determine the elements that threaten the normal functioning of the network, and their aggregation allows to determine system’s objects that do not function satisfactorily at the different levels of the hierarchy. Effectiveness of the method is illustrated by the analysis of the interaction of the objects of railway transport system of Ukraine. Предложена методика комплексного детерминированного оценивания сложных систем с иерархически-сетевой структурой, составляющими которой являются методы локального, прогностического, агрегированного и интерактивного анализа состояния, качества функционирования и взаимодействия объектов, образующих систему. Описан метод интерактивного оценивания взаимодействия основных объектов системы, являющийся эффективным средством непрерывного мониторинга качества их функционирования. Этот метод позволяет отслеживать динамику изменения качества обработки потоков в узлах и их прохождения ребрами сети, анализировать оптимальность графика движения потоков и его чувствительность к малым задержкам, оценивать напряженность работы основных объектов системы. Прогнозирование поведения интерактивных оценок дает возможность, не ожидая очередного планового исследования, определять элементы, несущие угрозу нормальному функционированию сети, а их агрегация позволяет определять неудовлетворительно функционирующие объекты системы различных уровней иерархии. Эффективность метода иллюстрируется на примере анализа взаимодействия объектов железнодорожной транспортной системы Украины.

Methods of complex deterministic evaluation of the complex systems with a hierarchical-network structure, components of which are methods of local, forecasting, aggregative, and interactive estimation of the state, function quality, and interaction of objects comprising the system are proposed. The main approaches to the construction of generalized conclusions about the state and quality of functioning of the system at different levels of the hierarchy (methods of the "weakest" element, weighted linear and nonlinear aggregation) are described. Areas of their use are defined and the main advantages and drawbacks are analyzed. The various directions of implementation of the weighted linear aggregation method for evaluations of elements of the system and its basic subsystems are considered in detail. Principles for visualizing the results of the aggregate evaluation for timely localization of the structural elements of the system which received negative or close to them conclusions are proposed. Effectiveness of the proposed methods is illustrated by the analysis of quality of the objects of the track and station facilities of the rail transport system of Ukraine., Предложена методика комплексного детерминированного оценивания сложных систем с иерархически-сетевой структурой, составляющими которой являются методы локального, прогностического, агрегированного и интерактивного анализа состояния, качества функционирования и взаимодействия объектов, образующих систему. Описаны основные подходы к построению обобщенных выводов о состоянии и качестве функционирования системы разных уровней иерархии: методы "слабейшего" элемента, взвешенной линейной и нелинейной агрегации. Определены области их использования и проанализированы основные преимущества и недостатки. Детально рассмотрены различные направления реализации метода взвешенной линейной агрегации оценок элементов системы и ее базовых подсистем. Предложены принципы визуализации результатов агрегированного оценивания для оперативной локализации структурных элементов системы, получивших отрицательные или близкие к ним выводы. Эффективность предлагаемых методов проиллюстрирована на примере анализа качества объектов путевого и станционного хозяйства железнодорожной транспортной системы Украины., Запропоновано методику комплексного детермінованого оцінювання складних систем з ієрархічно-мережевою структурою, складовими якої є методи локального, прогностичного, агрегованого та інтерактивного аналізу стану, якості функціонування та взаємодії об’єктів, які утворюють систему. Описано основні підходи до побудови узагальнених висновків про стан та якість функціонування системи різних рівнів ієрархії: методи "найслабшого" елемента, зваженої лінійної та нелінійної агрегації. Визначено області їхнього застосування та проаналізовано основні переваги та недоліки. Детально розглянуто різні напрямки реалізації методу зваженої лінійної агрегації оцінок елементів системи та її базових підсистем. Запропоновано принципи візуалізації результатів агрегованого оцінювання для оперативної локалізації структурних елементів системи, які отримали негативні або близькі до них висновки. Ефективність пропонованих методів проілюстровано на прикладі аналізу якості об’єктів колійного та станційного господарства залізничної транспортної системи України.

Предложена методика комплексного детерминированного оценивания сложных систем с иерархически-сетевой структурой, составляющими которой являются методы локального, прогностического, агрегированного и интерактивного анализа состояния, качества функционирования и взаимодействия объектов системы всех уровней иерархии. Описаны методы локального и прогностического оценивания поведения характеристик элементов системы, являющиеся основой для дальнейшего построения обобщен-ных выводов об ее состоянии и качестве функционирования. Предложенная уточненная бальная шкала оценок позволяет не только определить качество элемента, но и частично установить причины обнаруженных недостатков. Прогностический анализ дает возможность своевременно упредить и отреагировать на возможность преодоления элементом "порога безопасности". Предложены средства визуализации локальных и прогностичес-ких оценок элементов системы, позволяющие оперативно реагировать на обнаруженные или потенциальные недостатки. Эффективность предлагаемых методов проиллюстрирована на примере анализа качества объектов путевого и станциионного хозяйства железнодорожной транспортной системы Украины., Запропоновано методику комплексного детермінованого оцінювання складних систем з ієрархічно-мережевою структурою, складовими якої є методи локального, прогностичного, агрегованого та інтерактивного аналізу стану, якості функціонування та взаємодії об’єктів системи всіх рівнів ієрархії. Описано методи локального та прогностичного оцінювання поведінки характеристик елементів системи, які є основою для подальшої побудови узагальнених висновків щодо її стану та якісті функціонування. Запропонована уточнена бальна шкала оцінок дозволяє не лише визначити якість елемента, але й частково встановити причини виявлених недоліків. Прогностичний аналіз дає можливість завчасно попередити та відреагувати на можливість виходу елемента за "поріг безпеки". Запропоновано засоби візуалізації локальних та прогностичних оці-нок елементів системи, які дозволяють оперативно реагувати на виявлені або потенційні недоліки. Ефективність пропонованих методів проілюстровано на прикладі аналізу якості об’єктів колійного та станційного господарства залізничної транспортної системи України., Methods of complex deterministic evaluation of the complex systems with the hierarchical-network structure are proposed, whose components are the local, forecasting, aggregative, and interactive analysis methods of the state, quality of functioning, and interaction of objects in the system at all hierarchical levels. The local and forecasting evaluation methods of behavior of system’s elements characteristics are described. These methods are the basis for the following construction of generalized conclusions about the system's state and the quality of its functioning. The proposed refined points-based evaluation scale allows not only to determine the quality of an element, but also to partly establish the reasons for detected deficiencies. The forecasting analysis allows to preempt and to respond in a timely manner to the possibility for an element surpassing "the safety threshold". Means for visualization of the local and forecasting evaluations of system’s elements are proposed that can timely react to detected or potential drawbacks. The effectiveness of the proposed methods is illustrated by an example that analyses the quality of rolling stock and infrastructure objects of the rail transport system of Ukraine.

The main approaches and methods for evaluation of complex systems are analyzed and their advantages and disadvantages are determined. Systems with hierarchical-network structures are described and methods are proposed for their complex deterministic evaluation. Methods of multicriteria and multiparameter local, forecasting, aggregative, and interactive analyses of the state, function quality and interaction of system’s objects on the all hierarchical levels are described. The scheme of interaction is described and it is justified that the proposed methods only in conjunction allow to form objective and grounded conclusions about the quality of a complex system. The proposed methods are illustrated using the analysis of the functioning efficiency of objects of the Ukrainian railway transport system as an example., Проанализированы основные подходы и методы оценивания сложных систем и определены их преимущества и недостатки. Описаны системы с иерархически-сетевой структурой и предложена методика их комплексного детерминированного оценивания. На основе результатов плановых исследований и непрерывного мониторинга системы описываны методы многокритериального и многопараметрического локального, прогностического, агреги­рованного и интерактивного анализа состояния, качества функционирования и взаимодействия объектов системы всех уровней иерархии. Рассмотрена схема взаимодействия и показано, что только в совокупности предложенные методы дают возможность сформировать объективные и обоснованные выводы о качестве сложной системы. Использование предложенных методов проиллюстрировано на примере анализа эффективности функционирования объектов железнодорожной транспортной системы Украины., Проаналізовано основні підходи і методи оцінювання складних систем та визначено їхні переваги та недоліки. Описано системи з ієрархічно-мережевою структурою та запропоновано методику їхнього комплексного детермінованого оцінювання. На основі результатів планових досліджень та неперервного моніторингу системи описано методи багатокритеріального та багатопараметричного локального, прогностичного, агрегованого та інтерактивного аналізу стану, якості функціонування та взаємодії об’єктів системи всіх рівнів ієрархії. Розглянуто схему взаємодії та показано, що лише у сукупності запропоновані методи дозволяють сформувати об’єктивні та обґрунтовані висновки щодо якості складної системи. Застосування розробленої методики проілюстровано на прикладі аналізу ефективності функціонування об’єктів залізничної транспортної системи України.

Запропоновано методику комплексного детермінованого оцінювання складних систем з ієрархічно-мережевою структурою, складовими якої є методи локального, прогностичного, агрегованого та інтерактивного аналізу стану, якості функціонування та взаємодії об’єктів, які утворюють систему. Описано основні підходи до побудови узагальнених висновків про стан та якість функціонування системи різних рівнів ієрархії: методи «найслабшого» елемента, зваженої лінійної та нелінійної агрегації. Визначено області їхнього застосування та проаналізовано основні переваги та недоліки. Детально розглянуто різні напрямки реалізації методу зваженої лінійної агрегації оцінок елементів системи та її базових підсистем. Запропоновано принципи візуалізації результатів агрегованого оцінювання для оперативної локалізації структурних елементів системи, які отримали негативні або близькі до них висновки. Ефективність пропонованих методів проілюстровано на прикладі аналізу якості об’єктів колійного та станційного господарства залізничної транспортної системи України. Methods of complex deterministic evaluation of the complex systems with a hierarchical network structure, components of which are methods of local, forecasting, aggregative, and interactive estimation of the state, function quality, and interaction of objects comprising the system are proposed. The main approaches to the construction of generalized conclusions about the state and quality of functioning of the system at different levels of the hierarchy (methods of the “weakest” element, weighted linear and nonlinear aggregation) are described. Areas of their use are defined and the main advantages and drawbacks are analyzed. The various directions of implementation of the weighted linear aggregation method for evaluations of elements of the system and its basic subsystems are considered in detail. Principles for visualizing the results of the aggregate evaluation for timely localization of the structural elements of the system which received negative or close to them conclusions are proposed. Effectiveness of the proposed methods is illustrated by the analysis of quality of the objects of the track and station facilities of the rail transport system of Ukraine. Предложена методика комплексного детерминированного оценивания сложных систем с иерархически-сетевой структурой, составляющими которой являются методы локального, прогностического, агрегированного и интерактивного анализа состояния, качества функционирования и взаимодействия объектов, образующих систему. Описаны основные подходы к построению обобщенных выводов о состоянии и качестве функционирования системы разных уровней иерархии: методы «слабейшего» элемента, взвешенной линейной и нелинейной агрегации. Определены области их использования и проанализированы основные преимущества и недостатки. Детально рассмотрены различные направления реализации метода взвешенной линейной агрегации оценок элементов системы и ее базовых подсистем. Предложены принципы визуализации результатов агрегированного оценивания для оперативной локализации структурных элементов системы, получивших отрицательные или близкие к ним выводы. Эффективность предлагаемых методов проиллюстрирована на примере анализа качества объектов путевого и станционного хозяйства железнодорожной транспортной системы Украины.