Моделирование этапов принятия решений на основе сетецентрического подхода

УДК 004:620

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭТАПОВ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ НА ОСНОВЕ СЕТЕЦЕНТРИЧЕСКОГО ПОДХОДА

© Л.В. Массель1, Р.А. Иванов2, А.Г. Массель3

1,3

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

1,2,3Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН,

664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.

Обосновывается целесообразность использования принципов сетецентричности и ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике. Раскрывается суть сетецентрического подхода, предлагается схема поддержки принятия решений в рамках этого подхода. Построена фрактальная стратифицированная (ФС) модель информационного пространства данных и знаний для принятия решений, выделены основные слои и типы отображений. Выполнена интерпретация ФС-модели, определены основные этапы технологии принятия решений и предложены прототипы инструментальных средств ее поддержки.

Ил. 4. Библиогр. 9 назв.

Ключевые слова: поддержка принятия решений; сетецентрический подход; ситуационная осведомленность; исследования систем энергетики.

DECISION-MAKING STAGES MODELING BASED ON NETWORK-CENTRIC APPROACH L.V. Massel, R.A. Ivanov, A.G. Massel

Irkutsk State Technical University,

83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

Melentiev Energy Systems Institute SB RAS,

130 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.

The article proves the feasibility of using network-centric principles and situational awareness to support decision-making in the energy sector. Having revealed the essence of the network-centric approach the authors propose the scheme of decision-making support within this approach. The fractal stratified (FS) model of the information space of data and knowledge for decision-making is built, and the main image layers and types are identified. The interpretation of the FS model is made, the main stages of the decision-making technology are determined and the prototyping tools for its support are suggested.

4 figures. 9 sources.

Key words: decision support; network-centric approach; situational awareness; energy system research.

Введение. Всевозрастающая актуальность оперативной поддержки принятия решений одновременно с повышением уровня их научной обоснованности приводит к необходимости разработки и внедрения новых подходов, основанных на современных информационных технологиях. Одним из таких подходов является сетецентрический подход, основанный на использовании единой информационной среды и ситуационной осведомленности, которая, в свою очередь, базируется на новом подходе к визуализации геопространственных данных, получившем в нашей стране название «неогеография» (авторы используют как синоним термин «3й-визуализация»). В статье предлагается применение этого подхода для поддержки принятия решений в энергетике. Предложена схема поддержки принятия решений в энергетике в

рамках сетецентрического подхода, построена фрактальная стратифицированная модель структурирования данных и знаний для этапов принятия решений и выполнена ее интерпретация с использованием предложенной схемы. В качестве прообраза единой информационной среды предлагается использовать разработанную с участием авторов ИТ-инфраструктуру исследований энергетики и интегрированную в нее интеллектуальную ИТ-среду, в которую включены авторские инструментальные средства 3й-визуализации.

Ситуационная осведомленность и сетецен-тричность. Понятие «ситуационная осведомленность», или Situational Awareness, сформировалось на рубеже 1990-х годов и связано в первую очередь с пионерными работами Mica R. Endsley

1Массель Людмила Васильевна, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, зав. кафедрой автоматизированных систем ИрГТУ, тел.: (3952) 500646, доб. 405, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru Massel Lyudmila, Doctor of technical sciences, Professor, Chief Researcher at the Energy Systems Institute SB RAS, Head of the Department of Automated Systems ISTU, tel.: (3952) 500646, ext. 405, e-mail: massel@isem.sei.irk.ru

2Иванов Роман Андреевич, соискатель, младший научный сотрудник, тел.: (3952) 500646, доб. 407, crowndriver@gmail.com Ivanov Roman, Competitor for a scientific degree, Junior Researcher, tel.: (3952) 500646, ext. 407, e-mail: crowndriver@gmail.com

3Массель Алексей Геннадьевич, кандидат технических наук, научный сотрудник ИСЭМ СО РАН, доцент кафедры автоматизированных систем ИрГТУ, тел.: (3952) 500646, доб. 405, e-mail: amassel@gmail.com

Massel Aleksei, Candidate of technical sciences, Researcher at the Energy Systems Institute SB RAS, Associate Professor of the Department of Automated Systems ISTU, tel.: (3952) 500646, ext. 405, e-mail: amassel@gmail.com

[1]. Согласно классическому определению, принцип Situational Awareness представляет собой «чувственное восприятие элементов обстановки в (едином) пространственно-временном континууме, осознанное восприятие их значения, а также проецирование их в ближайшее будущее» [2]. Ситуационная осведомленность базируется на новом подходе к визуализации геопространственных данных, получившем в нашей стране название «неогеография». Неогеография - это новое поколение средств и методов отображения локализованной в пространстве и во времени информации, отличающееся от традиционных (классических карт и ГИС) тремя основными признаками:

• представлением информации в единой геоцентрической системе координат, а не в картографических проекциях;

• применением растрового, а не векторного представления географической информации в качестве основного;

• использованием открытых гипертекстовых форматов представления геоданных [2].

Это дает определенные преимущества, такие как хранение информации в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность ее локализации без ущерба детальности, возможность обеспечения трехмерного не ортогонального, но при этом метрически точного, отображения местности и ситуации, а также появление среды массового создания и агрегации геоданных.

С учетом неоднозначного восприятия термина «неогеография» разными специалистами, авторами было предложено использовать в качестве синонима термин «3й-визуализация».

Сетецентричность - принцип организации систем управления, позволяющий реализовать режим ситуационной осведомлённости благодаря формированию и поддержанию единой для всех ярусов управления целостной контекстной информационной среды.

Авторами предложено использовать этот принцип для поддержки принятия решений в энергетике. Решение проблемы непрерывной и высокоточной актуализации данных для всех ярусов управления возможно за счет реализации принципа сетецентричности. При этом важнейшим условием успешной поддержки принятия решений является использование одного и того же не фрагментированного по какому-либо признаку информационного образа реальной ситуации всеми ярусами системы управления. При реализации режима ситуационной осведомленности формирование такого информационного образа осуществляется с применением технологии 3й-визуализации.

Выполнен анализ энергетических задач, в которых целесообразно использовать ситуационную осведомленность, как в процессе исследований энергетики, так и при обосновании рекомендуемых решений. Выделены следующие классы задач: исследования в области гидроэнергетики; в области экологии энергетики; связанные с развитием возобновляемых источников энергетики; обоснование решений по размещению объектов нефтегазовой отрасли; обоснование решений по транспортировке энергоресурсов; иссле-

дования проблем энергетической безопасности [3].

Ниже формулируются методические принципы использования ситуационной осведомленности как инструмента ситуационного анализа в энергетике, являющегося составляющей системного анализа. Методические принципы использования ситуационной осведомленности для поддержки принятия решений в энергетике включают следующие основные положения:

1. Необходимым условием реализации предложенной концепции является использование единой информационной среды для всех ярусов управления.

2. Для успешной поддержки принятия решений требуются насыщение системы управления средствами связи и увеличение количества источников достоверной информации на нижних уровнях.

3. Предлагаются три основных яруса управления: ЛПР, Эксперт, Диспетчер, обмен данными между которыми должен осуществляться через единую информационную среду.

4. Одним из важных компонентов поддержки принятия решений на всех этапах является Зй-визуализация.

5. Для загрузки данных в единую информационную среду используется формат КМЬ4.

6. Для обработки данных могут использоваться предметно-ориентированные программные комплексы; результаты их работы преобразуются для формирования КМ1_-файла с помощью авторских методики и базового средства (Геокомпонента) и передаются в геосервис для Зй-визуализации.

7. Для визуализации результатов решения новых классов задач выполняется разработка специализированных средств Зй-визуализации на основе Геокомпонента с использованием предложенной автором методики адаптации данных.

Методические принципы иллюстрируются схемой поддержки принятия решений в рамках сетецентрического подхода, основанного на ситуационной осведомленности. В обобщенном виде эта схема представлена на рис. 1.

Последовательность действий, выполняемых на трех основных ярусах управления (условно обозначенных как ЛПР, Эксперт и Диспетчер), детализируется на 2 в нотации БРМЫ (рис. 2).

ИТ-инфраструктура исследований в энергетике как прообраз единой информационной среды в рамках сетецентрического подхода. В качестве прообраза единой информационной среды, создание которой необходимо в рамках сетецентрического подхода, можно рассмотреть разработанную при участии авторов ИТ-инфраструктуру исследований в энергетике. ИТ-инфраструктура включает четыре составляющие ее инфраструктуры: телекоммуникационная, вычислительная, информационная и интеллектуальная [5]. Ядром ИТ-инфраструктуры является Репозитарий, в котором хранятся описания всех информационных и интеллектуальных ресурсов. В ИТ-инфраструктуру

4Формат KML был разработан компанией KeyHole для разметки геоданных на основе формата XML.___________________

Рис. 1. Обобщенная схема поддержки принятия решений в энергетике в рамках сетецентрического подхода

интегрирована интеллектуальная ИТ-среда [6], предназначенная для поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности [7].

Интеллектуальная ИТ-среда включает как пространство знаний, интегрирующее онтологические модели знаний в области исследований ЭБ, базу знаний о прецедентах ЧС и базы знаний когнитивных и событийных моделей, так и совокупность инструментальных средств для работы с ними (Репозитарий и библиотеки ОпЬМар, СодМар, Еуе^Мар, Вау^Б). Упоминавшийся выше Геокомпонент для 3й-визуализации также является одним из инструментальных средств интеллектуальной ИТ-среды (рис. 3) [8].

Фрактальная стратифицированная (ФС) модель этапов принятия решений. Согласно концепции ФС-модели структурирования данных и знаний [4], можно выполнить разбиение (расслоение) пространства данных и знаний D и построить отображения из любого слоя в каждый.

В таком случае можно представить информационное пространство данных и знаний для принятия решений как

0 = { ОС , 0В , °у , 0С , Од] ,

где DC - слой исходных данных и знаний; DB - слой данных и знаний для обоснования решений; DV - слой геоданных для визуализации решений; DG - слой данных и знаний для выработки решений; DR - слой данных и знаний для реализации решений.

На рис. 4 приведена иллюстрация слоев и отображений на фрагменте ФС-модели пространства данных и знаний для принятия решений.

В свою очередь, слой геоданных для визуализации можно представить как

Оу = &] и О],

где Di - формируемые данные; Dk - извлекаемые данные.

В нашем случае могут использоваться 9 типов отображений:

- отображение из слоя исходных данных и знаний в слой данных для визуализации;

р£: Ос — ОВ - отображение из слоя исходных данных и знаний в слой данных и знаний для обоснования решений;

^: Ос — ОС - отображение из слоя исходных данных и знаний в слой данных и знаний для выработки решений;

- отображение из слоя выработки решений в слой обоснования решений;

^: ОВ — Оу - отображение из слоя данных и знаний для обоснования решений в слой данных для визуализации;

^: ОВ — ОС - отображение из слоя данных и знаний для обоснования решений в слой данных и знаний для выработки решений;

ру: Оу — ОС - отображение из слоя данных для визуализации в слой данных и знаний для выработки решений;

- отображение из слоя данных и знаний для выработки решений в слой данных и знаний для реализации решений;

- отображение из слоя данных для визуализации в слой данных и знаний для реализации решений.

Отображения поддерживаются инструментальными средствами:

Т = {Ту, тIT,тIБ}, где ^ - инструментальные средства визуализации (Геокомпонент); ТЕ - инструментальные средства единой информационной среды; Тп- инструментальные средства интеллектуальной ИТ-среды.

ВЕСТНИК ИрГТУ №10 (81) 2013

со

Рис. 2. Схема поддержки принятия решений в энергетике в рамках сетецентрического подхода в нотации ВРМЫ

Кибернетика. Информационные системы и технологии

Рис. 3. Взаимосвязь инструментальных средств интеллектуальной ИТ-среды

Таким образом, пространство данных и знаний для принятия решений D и инструментальные средства T образуют единую информационную среду 1Е = {D} и {Т}.

Инструментальные средства визуализации (например, Геокомпонент для Зй-визуализации) используются в четырех из девяти типов отображений.

Интерпретацию ФС-модели можно выполнить, используя схему, приведенную выше на рис. 2.

Формированию задания ЛПР и передаче его экс-перту-энергетику соответствует отображение из слоя Dg (generation - выработка решения) в слой DB (basis - обоснование решений). Анализ задания выполняется на уровне обоснования решений (DB) с использованием отображений из слоя исходных данных Dc (С - collection) и слоя визуализации DV (V - visualization). Обоснование решений может выполняться как с использованием инструментальных средств (TT интеллектуальной ИТ-среды (онтологическое, когнитивное и событийное моделирование), так и с привлечением традиционных программных комплексов для многовариантных расчетов (слой DB). Результаты могут передаваться из слоя обоснования решений DB в слой выработки решений DG как напрямую, так и через слой визуализации DV.

После анализа предложенного решения ЛПР мо-

жет либо корректировать задание для уточнения или изменения решения (отображение F из слоя DG в слой DB ), либо принять его и передать для реализации лицам, реализующим решения (ЛРР), в нашем случае

- Диспетчеру (отображение F из слоя DG в слой DC). Информационная поддержка отображений (обмен информацией, поддержка переговорного процесса) осуществляется с помощью инструментальных средств репозитария ИТ-инфраструктуры (Т^). Методика использования инструментальных средств 3й-визуализации П) в рамках сетецентрического подхода приведена в [8].

Заключение. В статье рассматривается подход к моделированию этапов принятия решений на основе фрактальной стратифицированной модели структурирования данных и знаний. Изложение ведется с точки зрения сетецентрического подхода, который предлагается использовать для поддержки принятия решений в энергетике. Сформулированы методические принципы использования ситуационной осведомленности, которая является неотъемлемой частью сетецентрического подхода. В качестве прообраза единой информационной среды - основы сетецентрического подхода - предлагается рассматривать ИТ-инфраструктуру исследований в энергетике, в которую интегрирована интеллектуальная ИТ-среда.

йя - Реализация решений

йв -Выработка решений Dv - Визуализация решений йв - Обоснование решений йс - Сбор данных

Рис. 4. Иллюстрация слоев и отображений на фрагменте ФС-модели пространства данных и знаний для принятия решений

Предложена схема принятия решений на основе сетецентрического подхода, в которой выделены четыре основных этапа: сбор исходных данных, обоснование решения (Эксперт-энергетик), выработка решений (ЛПР) и реализация решений. Первый и последний этапы могут выполняться одной и той же группой специалистов (условно называемой Диспетчер). С использованием приведенной схемы выполнена интерпретация ФС-модели, на основе которой можно

разработать технологию принятия решений. Перечислены инструментальные средства ИТ-инфраструктуры и интеллектуальной ИТ-среды, которые могут стать прототипами инструментальных средств поддержки предлагаемой технологии принятия решений.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 11-07-00192, № 12-0700359, № 13-07-00140, № 13-07-00422.

Библиографический список

1. <Mica R.Endsley, Daniel J. Garland, Situation awareness: analysis and measurement, Lawrence Erlbaum Associates, 2000, ISBN 0805821341, 9780805821345>.

2. Ерёмченко Е.Н. Неогеография: особенности и

возможности // Материалы конференции «Неогеография XXI-2008» IX Международного Форума «Высокие технологии XXI века». М., 2008. C.170-179.

3. Massel L.V., Ivanov R.A. Possibility of application of Situational Awareness in energy research / Proceedings of the Workshop on Computer Science and Informational Technologies (CSIT-2010), Russia, Moscow - St.Petersburg, September 1319, 2010. - Volume 1,Ufa State Aviation Technical University, 2010. Р.185-187.

4. Массель Л.В. Информационное пространство и его фрактальная модель // Криворуцкий Л.Д., Массель Л.В. Информационная технология исследований развития энергетики. Новосибирск: Наука, 1995. С.51-57.

5. ИТ-инфраструктура научных исследований: методический подход и реализация / Л.В. Массель [и др.] // Вычислительные технологии. 2006. Т.11. С.59-67.

6. Массель А.Г. Интеллектуальная ИТ-среда для исследований проблемы энергетической безопасности // Труды Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе». Приложение к журналу «Открытое образование». Украина, Гурзуф, 2010. С.306-309.

7. Аршинский В.Л., Массель А.Г., Сендеров С.М. Информационная технология интеллектуальной поддержки исследований проблем энергетической безопасности // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2010. №7 (47). С.8-11.

8. Массель Л.В., Массель А.Г. Интеллектуальные вычисления в исследованиях направлений развития энергетики // Известия Томского политехнического университета. 2012. Т.321: Управление, вычислительная техника и информатика. №5. С.135-141.

9. Иванов Р.А. Методика 3D-визуализации для поддержки принятия решений в энергетических исследованиях // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2013. №1(37). С.116-121.