Модели и методы для разработки инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов в распределенном информационном пространстве

Эффективность деятельности мультипроектной организации определяется соотнесением достигнутых результатов и задействованных ресурсов, в первую очередь, — интеллектуального потенциала, который выражается в компетенции исполнителей и проявляется в процессе их коммуникации.

Моделирование коллективной деятельности является наиболее сложно формализуемой проблемой. Здесь в неразрывном единстве должны учитываться не только формальная, но и содержательная стороны деятельности, поскольку применение ставших уже традиционными формальных подходов, основанных на ИСО 9000, SW СММ, РМВоК, Six Sigma и др., позволяют решить сформулированную проблему лишь до определенных пределов. В свою очередь, содержательная сторона творческой деятельности может условно быть поделена на креативную и коммуникативную составляющие.

Решению указанной проблемы посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых Т. Бьюзен, Р. Хант, Э. Иордан, Ф. Брукс, Р. Томсет, В. А. Виттих, Ю. М. Плотинский, Э. В. Попов, В. Б. Тарасов, Д. А. Новиков, П. О. Скобелев. Отдельные достижения в предлагаемых подходах и методах являются известными, к сожалению, в основном в зарубежных исследованиях.

Вопросы, связанные с моделированием коммуникативных процессов, не имеют в настоящее время достаточного научно-методического обоснования. Поэтому разработка методологии и интеллектуальных технологий для поддержки коммуникативных процессов при выполнении комплексных проектов, является актуальной научной задачей.

Целью работы является разработка математического и алгоритмического обеспечения для проектирования инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов.

Для достижения цели в работе решаются следующие задачи: 1. Разработка подхода к проектированию инструментальных программных средств для поддержки выполнения проектов в распределенной среде на основе моделирования коммуникативных процессов.

2. Разработка моделей и методов для проектирования инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов в распределенном информационном пространстве.

3. Разработка алгоритмического обеспечения для реализации мультиа-гентного подхода при проектировании инструментальных программных средств.

4. Разработка инструментальных программных средств для поддержки выполнения проектов в распределенной среде и анализ эффективности предложенного подхода.

Методы исследований.

В работе использовались методы системного анализа, принятия решений, имитационного моделирования, когнитивного моделирования, оптимизации, распределенного искусственного интеллекта, управления проектами.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

1. Комплексный подход к разработке инструментальных программных средств, включающий подход к поддержке выполнения проектов в распределенной среде на основе моделирования коммуникативных процессов, системно-когнитивный подход для поддержки выполнения проектов в распределенном информационном пространстве, мультиагентный подход к моделированию процесса формирования сетевой структуры мультипроектной команды.

2. Разработанные модели и методы, которые являются основой при разработке инструментальных программных средств и включают системно-когнитивные модели жизненного цикла научной, образовательной и инновационной деятельности мультипроектной команды, метод формирования сетевой структуры мультипроектной команды, метод решения задачи о назначениях в мультипроектной команде по областям компетенции относительно задач, модели мультиагентной системы и её агентов.

3. Алгоритмическое обеспечение мультиагентного моделирования коммуникативных процессов (обобщенный алгоритм формирования сетевой структуры в процессе выполнения графика работ по проекту, а также требования к реализации алгоритма, основанные на принципах самоорганизации, алгоритм поведения интеллектуального агента, алгоритм проведения вычислительного эксперимента).

4. Информационное и программное обеспечение инструментальных средств, реализованных в виде рабочего прототипа интернет-комплекса поддержки выполнения проектов фундаментальных исследований сложных систем (прототип взаимодействия интеллектуальных агентов, экспертная система когнитивного моделирования сложных систем).

5. Результаты анализа эффективности предложенного подхода.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

1. Предложенный комплексный подход к разработке инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов в распределенной информационной среде включает, в отличие от известных, моделирование коммуникативных процессов, что позволяет обеспечить эффективное поведение мультипроектной команды.

2. Разработанные новые модели и методы формирования сетевой структуры мультипроектной команды:

• системно-когнитивные модели жизненного цикла научной, образовательной и инновационной деятельности;

• метод формирования сетевой структуры;

• метод решения задачи о назначениях в мультипроектной команде по областям компетенции относительно задач;

• модели мультиагентной системы в целом и её интеллектуальных агентов составляют теоретическую основу для реализации предлагаемого подхода в инструментальных программных средствах.

3. Разработанное алгоритмическое обеспечение:

• обобщенный алгоритм формирования сетевой структуры в процессе выполнения графика работ по проекту, а также требования к реализации алгоритма, основанные на принципах самоорганизации;

• алгоритм поведения интеллектуального агента;

• алгоритм проведения вычислительного эксперимента обеспечивает мультиагентное моделирование коммуникативных процессов при разработке инструментальных программных средств на основе предложенного подхода.

Практическая значимость и внедрение результатов.

Практическую ценность имеют:

1. Разработанное алгоритмическое обеспечение мультиагентного моделирования коммуникативных процессов составляет основу для разработки инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов.

2. Разработанные инструментальные программные средства поддержки выполнения проектов дают основу для реализации предложенного подхода в мультипроектных командах и анализа его эффективности.

3. Результаты проведенного вычислительного эксперимента подтверждают работоспособность и эффективность предложенного подхода.

Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 03−07−90 242-в «Интернет-комплекс поддержки выполнения проектов фундаментальных исследований сложных систем с применением интеллектуальных технологий на базе экспертных систем» (2003;2005гг.), федеральной целевой программой «Интеграция науки и высшего образования Российской Федерации на 20 022 006 годы» (проект П0039), а также программой Минобразования РФ «Научное, научно-техническое, материально-техническое и информационное обеспечение создания системы образования» (2001г., проект 1.1.2.2.(240).208).

Внедрение результатов работы осуществлено в ФГУП БПО «Прогресс» — в процессе выполнения конструкторских проектов для повышения эффективности взаимодействия исполнителей, в НИЧ УГАТУ при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ, в т. ч. совместных с иностранными партнерами, а также в учебном процессе УГАТУ при выполнении магистерских, дипломных и курсовых работ. Результаты использования показывают повышение эффективности мультипроектной работы исполнителей при применении предложенного комплексного подхода, а также улучшение психологического климата за счет изменения корпоративной культуры организации.

Переход от традиционного подхода, основанного на жестком распределении задач по исполнителям, к регулярному перераспределению исполнителей по задачам позволяет осуществлять более гибкое разделение труда, за счет увеличения числа горизонтальных связей не менее чем в 2 раза, более полного (на 30−40%) использования интеллектуального потенциала исполнителей и вовлечения их в процесс принятия решений. Это приводит к повышению производительности труда не менее чем на 20%, в том числе, за счет уменьшения временных затрат на непроизводственные коммуникации минимум в 2 раза и уменьшения времени на получение необходимой информации в 3−5 раз. В целом, это приводит к снижению сроков выполнения проектов и рисков нарушения договорных обязательств по ним на 20−30%.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• 4-м, 6-м, 7-м Международных научных семинарах «Компьютерные науки и информационные технологии» (Греция, Патры, 2002 г.- Венгрия, Будапешт, 2004 г.- Россия, Уфа-Ассы, 2005 г.);

• 8-ой Международной конференции «Технологии поддержки обучения» (Германия, Берлин, 2002 г.);

• Международной научно-практической конференции «Составляющие научно-технического прогресса» (Россия, Тамбов, 2005 г.);

• Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы региональной экономики и образования» (Россия, Орел, 2005 г.);

• Второй Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Россия, Уфа, 2005 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 10 печатных трудов в тематических сборниках и трудах научно-технических конференций российского и международного значения, 3 зарегистрированные программы для ЭВМ.

Автор благодарит канд.техн.наук, доцента кафедры ВМиК УГАТУ Попова Дениса Владимировича за консультации по вопросам когнитивного моделирования и разработки интеллектуальных систем, а также коллектив учебно-научной лаборатории кафедры ВМиК «Интеллектуальные технологии проектирования сложных систем».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработан комплексный подход к разработке инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов, на основе предложенных:

• базового подхода к поддержке выполнения проектов в распределенной среде на основе моделирования коммуникативных процессов;

• системно-когнитивного подхода для поддержки выполнения проектов в распределенном информационном пространстве;

• мультиагентного подхода к моделированию процесса формирования сетевой организационной структуры мультипроектных команд, которые позволяют повысить эффективность выполнения проектов в распределенной среде на основе моделирования коммуникативных процессов.

2. Разработаны модели и методы:

• системно-когнитивные модели жизненного цикла научной, образовательной и инновационной деятельности мультипроектной команды;

• метод формирования сетевой организационной структуры мультипроектной команды;

• метод решения задачи о назначениях в мультипроектной команде по областям компетенции относительно задач;

• модели мультиагентной системы в целом и её интеллектуальных агентов, которые являются основой при разработке инструментальных программных средств поддержки выполнения проектов в распределенном информационном пространстве.

3. Разработаны алгоритмы:

• обобщенный алгоритм формирования сетевой организационной структуры в процессе выполнения графика работ по проекту, а также требования к реализации алгоритма, основанные на принципах самоорганизации;

• алгоритм поведения интеллектуального агента, которые обеспечивают мультиагентное моделирование коммуникативных процессов в мультипроектных командах.

4. Разработаны инструментальные программные средства, реализованные в составе рабочего прототипа интернет-комплекса поддержки выполнения проектов фундаментальных исследований сложных систем, в том числе:

• модели мультиагеитиой системы в целом и её интеллектуальных агентов;

• прототип взаимодействия интеллектуальных агентов;

• экспертная система когнитивного моделирования сложных систем, которые показывают работоспособность предложенного подхода и позволяют провести компьютерное моделирование коммуникативных процессов, протекающих в мультипроектных командах.

5. На основе проведенного анализа предложенного алгоритма установлено, что, при последовательной (однопроцессорной) реализации, порядок его временной сложности является полиномиальным. Он сопоставим с порядком временной сложности классического решения задачи о назначениях венгерским методом целочисленного линейного программирования. Однако, предложенный алгоритм обладает естественным параллелизмом, в результате чего, при многопроцессорной реализации, порядок его временной сложности является линейным по отношению к количеству решаемых задач при формировании сетевой организационной структуры мультипроектной команды. На рассмотренных примерах это привело к повышению быстродействия алгоритма в 2−3 раза.

6. Внедрение результатов работы осуществлено в ФГУП БПО «Прогресс» — в процессе выполнения конструкторских проектов для повышения эффективности взаимодействия исполнителей, в НИЧ УГАТУ при выполнении научно-исследовательских и хоздоговорных работ, в т. ч. совместных с иностранными партнерами, а также в учебном процессе УГАТУ при выполнении магистерских, дипломных и курсовых работ. Результаты использования показывают повышение эффективности мультипроектной работы исполнителей при применении предложенного комплексного подхода: повышение производительности труда более чем на 20%, уменьшение временных затрат на непроизводственные коммуникации минимум в 2 разауменьшение времени на получение необходимой информации в 3−5 разснижение сроков выполнения проектов и рисков нарушения договорных обязательств по ним на 2030%.