Онтологический подход к моделированию программного комплекса

Рис. 3. Пример работы инструмента анализа инликутивных оценок уровня ЭБ возможных состояний ТЭК в ПВК для выбора направлений корректировки сценариев развития ТЭК с позиций ЭБ

Заключение. В результате интеграции указанных программных продуктов в ПВК для выбора направлений корректировки сценариев развития ТЭК с позиций ЭБ решены проблемы:

1) проведение анализа такого большого числа возможных траекторий развития ТЭК и выбора среди них наиболее рациональных с позиций ЭБ,

2) проведение анализа индикативных оценок уровня ЭБ каждого возможного варианта развития ТЭК, результаты которого могут служить критерием выбора рациональных с позиций ЭБ траекторий развития ТЭК.

Библиографический список

1. Энергетическая безопасность России / В,В. Бушуев, Н.И, Воропай, А.М. Мастепанов, Ю.К, Шафраник и др, - Новосибирск: Наука, 1998. - 302 с,

2. Пяткова Н,И„ Рабчук В,И., Сендеров С.М., Чельцов М.Б., Еделев А.В. Методические вопросы корректировки направлений развития энергетического комплекса государства с позиций энергетической безопасности // Изв, РАН. Энергетика. - 2005. -№ 5.

3. Eytan Adar GUESS: A Language and Intrrface for Graph Exploration http://graphexploration.cond.org/ documentation.html

4. Береснева H.M, Графическая интерпретация индикативной оценки уровня энергетической безопасности страны и регионов II Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании. - Иркутск, 2005, - С.321-327 (Труды X Байкальской Всероссийской Конференции),

Т.Н.Ворожцова, С.К.Скрипкин

Онтологический подход к моделированию программного комплекса

Важной особенностью современного этапа развития информационных технологий является неизбежная интеграция любых информационных ресурсов, в том числе и программных комплексов (ПК), в единое информационное пространство того или иного уровня. Это обусловливает формирование соответствующих

требований ко всем компонентам информационных ресурсов, таких как, непротиворечивость, унификация, стандартизация и др. Современные требования к программным комплексам предполагают возможность их использования в Интернет - среде, для чего необходимо наличие \уеЬ-интерфейса, а также соответствую-

ще . 255ШОО0ШОО0О\

ЗэСоб

max. иш рузку

УРЛ.ГЬСЮ!Й

Самообеспеченно

щего описания данного информационного ресурса, ориентированного на его автоматизированную обработку. В такой ситуации актуальной является необходимость применения наиболее современных средств моделирования и разработки ПК, отвечающих как потребностям исследователей, так и требованиям к разрабатываемому программному обеспечению нового поколения [1].

Проблема моделирования ПК для научных исследований. Одним из актуальных направлений исследований в ИСЭМ СО РАН являются методы математического моделирования и оптимизации параметров технологических схем теплоэнергетических установок (ТЭУ) различного назначения, а также методы оптимизации режимов функционирования тепловых электрических станций (ТЭС), Математическое моделирование ТЭУ и ТЭС - это один из основных методов повышения эффективности проектирования новых и оперативного управления режимами существующих энергоустановок, а также оптимизации параметров и состава работающего оборудования. Поскольку ТЭС и ТЭУ являются сложными технологическими объектами, включающими большое количество разнотипных элементов, то процесс математического моделирования таких объектов невозможен без его автоматизации современными программными средствами. При этом неизбежной является и высокая степень преемственности с ранее выполненными разработками.

Специфика проведения исследований в энергетике такова, что необходимо постоянно разрабатывать новое программное обеспечение (ПО) в виде все более усложняющихся программных комплексов. При этом существенной остается проблема поддержки уже разработанного ранее ПО в виде программных комплексов, не отвечающих современным требованиям к информационному обеспечению, либо программных модулей, осуществляющих расчеты по ранее разработанным сложным алгоритмам, но не обеспеченных современным интерфейсом. Появляется потребность в разработке таких ПК, которые могли бы сочетать в себе свойства программного обеспечения современного уровня и, в то же время, возможность использования уже имеющихся и разработанных ранее алгоритмов и программных модулей.

Программные комплексы, используемые в задачах исследования энергетических систем, отличаются вычислительными алгоритмами, использующими сложную математическую базу, часто итерационными, В частности, в системах математического моделирования, широко используемого в ИСЭМ СО РАН [2,3,4], процессы, характеризующие работу ТЭУ в статических режимах, описываются системами алгебраических и трансцендентных уравнений большой размерности. В качестве исходных данных могут использоваться числовые массивы большой размерности, представленные в текстовом формате и требующие возможности редак-

тирования на отдельных этапах расчета. В составе ПК должны быть средства для подготовки графических данных и визуализации результатов на графических схемах.

Итак, программное обеспечение используемое для исследования и расчета теплоэнергетических установок, имеет следующие особенности:

• возможность корректировки в процессе разработки ПК;

• потребность в постоянном изменении, развитии и расширении;

• сложность и наличие большого количества компонентов (программных модулей);

• наличие итерационных вычислительных алгоритмов, использующих сложную математическую базу;

• необходимость графического представления исходных данных и визуализации результатов в виде сложных иерархических схем большого объема;

• потребность в наличии гибкого и легко модифицируемого интерфейса в зависимости от потребностей конкретного пользователя и целей использования ПК;

• возможность использования ПК для различных вариантов расчетов (многоцелевое использование).

ПК для научных исследований должны постоянно развиваться и расширять круг решаемых задач, как в связи с возникающими потребностями в дополнительных расчетах, так и за счет появления новых возможностей, обусловленных новыми результатами исследований, Это формирует особые требования к начальным этапам в разработке ПО, а именно, анализу задачи и проектированию программы, от которых очень сильно зависит возможность дальнейшей разработки и эксплуатации ПК. Этапы непосредственно программирования, тестирования, отладки являются практически непрерывными и тесно взаимосвязанными с процессом эксплуатации на протяжении всего жизненного цикла данного ПО.

Модель, как упрощенное представление реальной сложной системы, строится для того, чтобы лучше понять разрабатываемую систему, определить ее структуру и сценарии поведения. Моделирование ПК является необходимым этапом их разработки, обусловленным специфическими особенностями ПК для исследований энергетических систем (сложность, потребность в постоянной модификации и развитии, необходимость сочетания разнообразных компонентов) [5].

Возможности онтологий как средства моделирования сложных систем, Онтологический подход -это одно из направлений решения проблемы универсального представления концептуальных знаний в современных информационных системах. Основные задачи, которые решаются на основе современных онтологий, включают представление знаний для релевантного поиска и вывода информации в локальных и глобальных поисковых системах; фильтрацию и классифи-

кацию формализованных знаний предметных областей; организацию общей и предметной терминологии; индексирование собранных данных и выделение концептуальных знаний.

Сущность онтологического подхода к моделированию ПК заключается в том, что ПК рассматриваются как сложная система, состоящая из компонентов (объектов), которые взаимодействуют между собой и, в свою очередь, могут состоять из подсистем иерархически более низкого уровня. Такой онтологический подход основан на том, что процессы взаимодействия компонентов в ПК довольно сложны, могут управляться алгоритмически изнутри, либо пользователем на уровне изменения состава компонентов или набора данных.

В инженерии знаний под онтологией понимается детальное описание некоторой предметной области, которое используется для формального и декларативного определения ее концептуализации [6],

Термин «онтология» зависит от контекста и целей его использования. Наиболее часто современная онтология - это точная спецификация некоторой области, которая включает в себя словарь терминов предметной области и множество связей (типа «элемент-класс», «часть - целое»), которые описывают, как эти термины соотносятся между собой. Фактически это иерархический понятийный скелет предметной области,

Таким образом, такие онтологии обеспечивают словарь для представления и обмена знаниями о некоторой предметной области и множество связей, установленных между терминами в этом словаре [7].

Онтология - это разновидность модели исследуемой системы, которая позволяет лучше ее понять и сформулировать свойства, Онтология ПК - это некоторое описание (формальная спецификация) его компонентов и отношений между ними. Основная цель создания онтологии ПК - разработка его формализованного описания некими унифицированными средствами, позволяющего сформировать формализованные знания о ПК и сделать возможным разделение и повторное использование этих знаний.

Онтология является не только целью, но и средством формирования систем управления знаниями. Основная задача онтологического подхода состоит в том, чтобы облегчить пользователю поиск информации в большом наборе ресурсов за счет систематизации знаний, создания единой иерархии понятий, унификации терминов и правил интерпретации.

Онтология содержит формальные, понятные компьютерам описания концептуальных понятий и отношений между ними, Наиболее широко используемый для формального представления онтологий язык XML и некоторые другие механизмы позволяют обеспечить гибкость при обработке и обмене знаниями между различными прикладными областями, программными

приложениями, у/еЬ-сервисами, базами знаний и данных и т.п. Средства описания и обработки онтологий расширяют возможности взаимодействия самых разнотипных приложений.

Основным преимуществом онтологического подхода является целостный подход к автоматизации исследований. При этом достигаются:

• системность - онтология представляет целостный взгляд на каждую предметную область;

• единообразие - знания, представленные в единой форме гораздо лучше воспринимается и воспроизводится;

• научность - построение онтологии позволяет восстановить недостающие логические связи.

Методика онтологического моделирования ПК. Методический подход к моделированию ПК состоит в разработке онтологической модели ПК, которая представляет собой описание структуры ПК и взаимодействия его компонентов с помощью одного из современных языков представления онтологий, Такое описание является некоей формальной спецификацией, которая может обеспечить возможность повторного использования разработанной онтологии, например, для проектирования ПК различного назначения [8]. Онтологические описания ПК могут быть составными элементами некоторой базы знаний специального типа, которая может быть отделена от разработчика, использоваться в распределенной среде, читаться и пониматься компьютером, являться средством коммуникации между разработчиком ПК и его пользователем, различными ПК,

Методика предполагает разработку некоторого алгоритма действий, реализуемого для решения поставленной задачи, в данном случае, для задачи моделирования ПК.

Предлагаемая методика моделирования ПК базируется на объектно-ориентированной методологии моделирования ПО и методическом подходе к разработке онтологий, зафиксированном стандартом онтологического моделирования ГОЕР5.

Основные компоненты предлагаемой методики:

• анализ задачи;

• разработка онтологии ПК, описывающей в обобщенном виде основные компоненты ПК и их взаимосвязи;

• разработка конкретизированной онтологической модели ПК.

Каждый из этих этапов состоит из большого количества шагов и деление их на отдельные этапы достаточно условно, На любом из этапов происходит постоянное дополнение и уточнение в описании компонентов модели и их связей, поэтому весь процесс является итеративным и может неоднократно повторяться.

Первым этапом моделирования любого программного обеспечения является анализ задачи, которую предполагается решать с помощью проектируемого

ПК. Первоначальный анализ заключается в формулировке требований к разрабатываемому ПК и формулировке основных целей (списка подзадач), что позволит сформировать состав основных компонентов раз-рабитываемого ПК.

Онтологическое исследование системы или ее онтологический анализ объединяет две основные технологии анализа сложных систем - объектно-ориентированный и структурный анализ.

Целью онтологического анализа является выявление функциональной структуры системы (объектов и их связей) и определение поведения системы (сценариев).

Онтологический анализ обычно начинается с составления словаря терминов, который используется при обсуждении и исследовании характеристик объектов и процессов, составляющих рассматриваемую систему, а также создания системы точных определений этих терминов. После этого формулируются основные логические взаимосвязи между соответствующими введенным терминам понятиями.

Результатом выполнения онтологического анализа фактически и является разработка онтологии. Согласно методологии, сформулированной в стандарте онтологического исследования ЮЕР5 [9, 10, 11], процесс построения онтологии состоит из пяти основных этапов:

1. Изучение и систематизирование начальных условий, в результате которого устанавливаются основные цели проекта разработки онтологии, а также распределяются роли между членами проекта.

2. Сбор и накапливание необходимых начальных данных для построения онтологии,

3. Анализ и группировка собранных данных для облегчения построения терминологии,

4. Формирование начальной иди предварительной онтологии на основе отобранных данных.

5. Уточнение и утверждение онтологии.

Методология ЮЕР5 определяет данный процесс

создания онтологии в сильно обобщенном виде, Применительно к исследуемой прикладной области, в частности, к разработке онтологии ПК для исследований ТЭУ и ТЭС, простейшая реализация онтологического подхода может заключаться в следующих шагах:

• определение классов в онтологии (концептов или понятий в рассматриваемой предметной области);

• отображение иерархии классов (подкласс -надкласс) и других отношений между классами;

• определение слотов (свойств понятий) и описание допускаемых значений этих слотов (атрибутов каждого понятия).

Практически при разработке онтологии предлагается сначала сформировать список терминов, которые предполагается использовать, не беспокоясь о пересечении понятий, которые они представляют, об отношениях между терминами, о возможных свойствах

понятий или о том, чем являются понятия - классами или слотами. Например, применительно к онтологии ПК, список терминов может состоять из следующих -схема, модель, элемент, турбина, котел,, таблица, значение, модуль, единица измерения, команда, меню, окно и т.д.

Основным элементом любой онтологии являются классы, которые описывают понятия предметной области. Класс может иметь подклассы, которые представляют собой более конкретные понятия, а также свойства, характеризующие классы и подклассы, В онтологии ПК в качестве класса можно выделить, например, понятие «элемент», свойствами данного класса могут быть понятия «название_элемента», «изобра-жение_элемента», «модель_элемента» и другие понятия, которые каким-либо образом описывают элемент и могут иметь конкретные значения, например, название файла, содержащего описание модели элемента и т.п.

Другим составляющим онтологию элементом является отношение. Одной из разновидностей отношений между классами является иерархия классов (отношения «часть - целое» и «целое - часть»). Параллельно с разработкой иерархии необходимо определить свойства классов. В дальнейшем свойствам могут быть присвоены конкретные значения.

Последний этап предлагаемой методики - разработка конкретизированной онтологической модели ПК. На данном этапе осуществляется конкретизация разработанной онтологической модели, которая состоит в создании экземпляров классов и присвоении конкретных значений для слотов, а также, в формировании ограничений, накладываемых на эти значения, например, диапазонов допустимых значений.

Модель онтологии ПК, Проектируемый ПК представляет собой инструмент для выполнения комплекса задач моделирования ТЭУ, идентификации моделей и оптимизационных расчетов. При этом используется набор программно-вычислительных модулей, обеспечивающих построение математических моделей ТЭЦ, ТЭУ и их отдельных элементов на основе информации об элементном составе технологической схемы и связях между элементами.

ПК состоит из совокупности программных модулей, наборов данных, управляющих программных блоков и программных средств визуализации данных и результатов, Готовые программные модули реализуют отдельные вычислительные алгоритмы и входят в состав ПК в виде исполняемых программных модулей, Разнообразные наборы исходных, промежуточных и результирующих данных; как правило, представлены в виде файлов в произвольном текстовом формате. Управляющие программные блоки, отвечают за взаимодействие основных компонентов ПК и реализацию последовательности вызовов основных расчетных блоков; модулей для корректировки промежуточных данных на

Рис. 1. Схема онтологии ПК

некоторых этапах вычислительного алгоритма, а также программных средств визуализации данных и результатов.

Концептуальная схема ПК предполагает реализацию на основе использования паттерна проектирована MVC (Model—View—Controller - Модель-Вид-Контроллер). При использовании шаблона MVC программный комплекс разбивается на три различных компонента, а именно, Модель (Model), Представление (View), и Контроллер (Controller). В обязанности компонента Модель входит хранение данных и обеспечение интерфейса к ним. Компонент Вид ответственен за представление данных пользователю. Контроллер управляет компонентами, получая сигналы в виде реакции на действия пользователя [13].

Схема онтологии ПК представлена на рис.1.

Онтологию ПК можно рассматривать как онтологию приложения, которая должна быть взаимосвязана с моделью (онтологией) предметной области теплоэнергетики и онтологией задач, решаемых данным ПК, в частности, задач моделирования, идентификации и оптимизации [2,3,4]. Фрагментарно онтология предметной области теплоэнергетики представлена в иерархическом описании схем ТЭС и ТЭУ, состоящих их групп элементов (например, группа котлов или группа турбин [14]), являющихся компонентами общей схемы, отдельных элементов и связей между ними. Онтология задач представлена набором программных модулей, описанием исходных и промежуточных данных, требуемых для решения конкретной задачи, а также управляющими программными блоками, реализующими заданный алгоритм.

Заключение. Онтологический подход - это одно из направлений решения проблемы универсального представления концептуальных знаний в современных информационных системах самого различного назначения. На основе современных онтологий в настоящее время уже решаются многие задачи, связанные с формализованным описанием различных информационных систем, представлением их структуры и описанием взаимосвязей между различными компонентами таких систем. Онтологию вполне можно рассматривать как модель информационной системы того или иного уровня, помогающую в формализованном виде, удобном для автоматической обработки, описать структуру системы.

Онтологическое представление программного комплекса, с одной стороны, позволяет представить его структуру в виде онтологической модели с целью дальнейшей модификации и развития, с другой стороны, описание ПК, как информационного ресурса, может обеспечить его унифицированное представление в едином информационном пространстве какого-либо уровня, например, ЕИС РАН.

Онтологический подход расширяет возможности представления научно-технических знаний о проводи-

мых исследованиях и произведенной научной продукции (публикаций и моделях), способствует получению дополнительных средств доступа к имеющейся в мировом научном пространстве необходимой информации при решении задач исследований и образования. Все это предоставляет возможности интеграции исследова-телей-энергетиков в мировое научное сообщество и выхода методологии научных исследований и образования на мировой уровень.

Развитие онтологий различных уровней может способствовать решению проблемы хранения знаний и способствовать облегчению их доступности, поскольку в явном виде могут содержать источники знаний, средства и особенности их обработки.

Библиографический список

1. Интеграция информационных технологий в системных исследованиях энергетики, Массель ЛВ„ Болдырев Е,А„ Горнов А.Ю. и др. / Под ред. Н.И.Воропая, - Новосибирск: Наука, 2003.-320 с.

2. A.M.Клер, Н.П.Деканова, С.К.Скрипкин, А.В.Михеев, З.Р.Корнееза, А.Б.Орехов. Математическое моделирование и оптимизация в задачах оперативного управления тепловыми электростанциями, - Новосибирск: Наука, Сиб,предприятие РАН, 1997.- 120 с,

3. Математическое моделирование и оптимизация в задачах оперативного управления тепловыми электростанциями / Клер, Н.П. Деканова, С. К, Скрипкин и др. - Новосибирск:: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1997, - 120 с.

4. Теплосиловые системы: Оптимизационные исследования / А.М.Клер, Н.П.Деканова, Э.А.Тюрина и др, - Новосибирск: Наука, 2005, - 236 с,

5. Волков Д, Модели и программы //Открытые системы, - 2003, - № 12,

6. Клещев А.С., Артемьева ИА Математические модели онтологий предметных областей. // Научно-техническая информация, серия 2 "Информационные процессы и системы", 2001, 2, - С. 20-27,

7. Гаврилова ТА, Хорошевский В.Ф, Базы знаний интеллектуальных систем.-СПб.: Питер, 2001, - 384с,

8. Ворожцова Т.Н., Скрипкин С.К, Моделирование программно-вычислительного комплекса на основе онтологий II Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании / Труды X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, техники и образовании»,. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. - 4.1- С, 87-94,

9. Черемных С,В., Семенов И.О., Ручкин B.C. Структурный анализ систем: IDEF-технологии. - М,: Финстат, 2001. -208с.

10. Г. Берников, Описание стандарта онтологического моделирования 1DEF5.

http://www.vernikov.ru/gate.html7name=Pages&pa=showpage&pi d=36

11. ЮЕР - семейство стандартов обследования организаций и проектирования информационных систем. http://km-12,org.ua/belani/IDEF,htm

12. Шаллоуей А., Тротт Д, Шаблоны проектирования, Новый подход к объектно-ориентированному анализу и проектированию. Пер. с англ.- М. Издательский дом «Вильяме»,

2002.-288С.

13. Чарнецки К., Айзенекер V. Порождающее программирование; методы, инструменты, применение. Для профессионалов- СПб.:Питер, 2005,-731с,

14, Максимов A.C. Методика построения быстродействующих математических моделей турбин для задач оператив-

ной оптимизации режимов работы ТЭЦ // Системные исследования в энергетике. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2005. - С. 135-141.

А.С.Гаченко, А.Е.Хмельнов

Технология создания информационных систем на основе метаданных

АРМ администратора (в дальнейшем Программа) предназначен для автоматизации основных функций разработчика базы данных (БД). Программа позволяет выполнять модификацию структуры БД в рамках единой идеологии, поддерживать специальный набор данных, содержащих метаинформацию (сведения о структуре и семантике БД), а также формировать запросы к БД и осуществлять при необходимости просмотр и ручное редактирование данных,

Программа не привязана к конкретной предметной области и является инструментом, который существенно упрощает этап перевода экспертных знаний в набор объектов реляционной базы данных и ее дальнейшее сопровождение.

Визуальные средства отображают структуру БД в терминах объектно-ориентрованного подхода (классы и свойства). Этот подход более естественен для человека при описании сложных предметных областей, а возможности реляционных баз данных, позволяют организовать эффективное хранение и обработку накапливаемой информации.

Встроенный построитель запросов позволяет в удобном виде формировать наборы данных содержащихся в БД для просмотра и редактирования, организовывать поиск с помощью различных фильтров. На этапе разработки и модификации эти средства предназначены для проверки правильности формирования и наполнения БД. В дальнейшем они могут применяться как средство поиска, просмотра и редактирования информации при сопровождении и других административных операциях, Построитель запросов также может быть использован в качестве конструктора представлений при разработке автоматизированных рабочих мест.

Программа представляет собой исполняемый ЕХЕ-файл, предназначенный для работы под управлением операционных систем Microsoft Windows (9x/NT/2000/XP) и набор хранимых процедур для Microsoft SQL Server 2000. Поскольку программа является клиентской частью общей системы клиент-сервер, и основная обработка данных выполняется на стороне сервера, минимальные требования к аппаратному обеспечению со-

ответствуют минимальным требованиям установленной операционной системы. Программа ориентирована на совместную работу с системой управления базами данных Microsoft SQL Server 2000, которая должна быть установлена на одном из компьютеров локальной сети, Пользователь Программы должен обладать правами на создание и модификацию структуры разрабатываемой базы данных. На компьютере, с которого запускается.

Программа позволяет выполнять следующие операции:

1. Создавать и удалять таблицы. При выполнении этих функций автоматически формируются необходимые таблицы в БД. Возможно также включение в словарь базы данных существующих таблиц, созданных средствами SQL сервера или другими приложениями.

2. Создавать и удалять свойства таблиц. Изменять характеристики таблиц и их свойств. Объединять классы в группы для удобства просмотра списка.

3. Искать, просматривать и редактировать сведения об объектах, содержащихся в БД с помощью построителя запросов и окна просмотра.

4. Построитель запросов, предоставляет наглядный механизм отбора свойств для просмотра и конструктор условий поиска, Условия поиска могут содержать несколько ограничений на значения свойств, объединяемые по правилам логических операций "И" и "ИЛИ".

5. Окно просмотра отображает результат поиска в виде таблицы значений свойств объекта; динамические свойства выводятся на задаваемую пользователем дату. В окне просмотра имеется возможность выбора порядка сортировки просматриваемой выборки по одному или нескольким столбцам и вручную изменять данные.

При запуске Программы пользователю предоставляется возможность ввода имени базы данных, зарегистрированной ранее в BDE, имени пользователя и пароля. При успешной идентификации и соединении с БД открывается главное окно программы (рис. 1).

В левой части главного окна располагается список классов, зарегистрированных в словаре базы данных. При перемещении по списку классов автоматиче-