Управление пространственно-распределенными информационными объектами социально-экономических систем

УДК 004.8:681.3

К. И. Квятковский

УПРАВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ИНФОРМАЦИОННЫМИ ОБЪЕКТАМИ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Введение

Управление элементами социально-экономических систем (СЭС) во многом зависит от полноты их представления в эффективной инфокоммуникационной среде. Управленческие решения для них должны приниматься в соответствии с четко выверенными критериями, на основании достоверной и всесторонней информации об исследуемом объекте, тенденциях развития экономических явлений и процессов в нем, обобщенной в понятии «информационный объект». Появление геоинформационных технологий обработки информации расширяет проблемное поле управления информационными объектами, наделяя их пространственными свойствами. Управленческие решения в этом случае основаны на топологии информационных объектов, особые свойства которых используются для постановки задач принятия решения. Описание информационной среды для них требует разработки формального аппарата представления единиц информационного пространства, их свойств, признаков, принципов объединения в группы, механизмов извлечения новых свойств и признаков. Этот аппарат должен описывать операции представления объектов; назначения им новых свойств; агрегирования объектов или их свойств; выдачи информации о свойствах объекта в необходимом виде по запросу специалистов; выполнять математическую обработку информации с привлечением методов теории принятия решений, экономико-математических методов.

Целью исследований являлась формализация задач принятия решений для управления информационными объектами СЭС, обладающими как атрибутивными, так и пространственными признаками.

Переход от реального объекта исследования - СЭС - к ее информационной модели осуществляется путем ее представления в виде трех доменов: физического, информационного и когнитивного [1]. Особенностью представления доменной модели виртуальной СЭС является циклический процесс обмена информацией и знаниями между доменами для формирования управленческих решений.

В физическом домене реально существуют и функционируют реальные физические объекты, продуктом жизнедеятельности которых являются материальные, финансовые и энергетические потоки, формализуемые путем представления в виде бизнес-процессов. В зоне физического домена определены субъекты, имеющие отношения к процедурам формирования управленческих решений: лицо, принимающее решение (ЛПР), владельцы проблемы, инженеры по знаниям (когнитологи), эксперты в отдельных предметных областях.

В информационном домене действуют информационные аналоги объектов и процессов, существующие в информационных ресурсах, системах, хранилищах данных в виде структурированных данных или сообщений. В когнитивном домене происходит анализ, мониторинг и систематизация знаний, аккумулирующихся в информационном домене, с целью выработки управленческого решения для передачи его в физический домен.

Понятие «проекция объекта» заключается в представлении объектов физического домена в виде информационного объекта (ИО), имеющего свойства-характеристики и свойства-связи. Одни характеризуют объект, принимая в качестве значений данные определенных типов, другие ассоциируют объекты друг с другом, принимая в качестве своих значений сами объекты. Свойства ИО представимы в структурированном и неструктурированном виде. Наличие формализованного представления свойства выражено атрибутом ИО, имеющим несколько значений, которые объединяются в иерархию списков. Семантически однородное описание данных информационного домена должно использовать единую технологию назначения атрибута, на основе которой определить порядок формирования единых баз данных.

Введем понятие пространственного информационного объекта (ПИО) - это информационная модель реального физического объекта, использующая для описания пространственные данные, включающие в себя сведения о местоположении и свойствах и представленные в координатно-временной системе. Это определение характеризует ПИО, в первую очередь, как объект учета, являющийся объектом автоматизации для большинства информационных систем.

Пространственные информационные объекты имеют различный жизненный цикл. Их свойства зависят от свойств-характеристик. Например, объекты недвижимости являются статическими объектами по пространственным свойствам и динамическими - по атрибутивным. Динамическими пространственными свойствами обладают временно существующие ИО: места проведения ярмарок, маршруты массовых шествий, стихийные свалки и т. д. С использованием оператора агрегирования А пространственный ИО представим в следующем виде: Пространственный ИО: {ПИО} = {ИО} А {Пространственные координаты},

Статический ПИО: {СПИО} = {ПИО} А {Пространственная выборка},

Динамический ПИО: {ДПИО} = {ПИО} А {Временной ряд}.

Пространственный информационный объект обладает присущими только ему свойствами, связанными с границами и формами занимаемого пространства, разделяющими объекты на 3 типа: точечные, полигональные и линейные информационные объекты. Для решения задач управления СЭС классифицируем ПИО (табл. 1).

Таблица 1

Классификация пространственных информационных объектов

Тип ПИО Примеры ПИО Пространственные характеристики новых ПИО, синтезируемых в процессе управления СЭС

Точечный (ТПИО) Предприятия, банки, страховые компании, помещения, офисы, объекты социальной и политической инфраструктуры Места расположения будущих филиалов, складов, терминалов, банкоматов, информационных киосков, средств наружной рекламы

Полигональный (ППИО) Земельные участки, рынки, зоны и территории обслуживания, кондоминимумы, места социальной активности граждан Места расположения буферных зон, зон шаговой доступности, парковых зон

Линейный (ЛПИО) Дороги автомобильные и пешеходные Оптимальные маршруты движения, маршруты терренкура

Введем понятия сложного и простого ПИО: сложный ПИО допускает дальнейшую декомпозицию на ПИО до тех пор, пока результатом декомпозиции не станут простые неделимые ПИО при постоянном масштабе карты. В зависимости от масштаба карты ПИО изменяют свои свойства, становясь простыми и сложными ИО. В табл. 2 указано, как представлен ПИО «Порт» в геоинформационной системе в различных масштабах.

Таблица 2

Простые и сложные пространственные информационные объекты

Масштаб карты Тип ПИО Вид ПИО Примечание

Карта региона Точечный Простой Преобладание атрибутивной информации: адрес, юридические данные, контактная информация

Карта города Полигональный Простой Преобладание пространственной информации: границы занимаемой территории, речная зона

Карта квартала Совокупность всех типов ПИО: Полигональные: зоны хранения и разгрузки. Линейные: железнодорожные пути и транспортные развязки. Точечные: расположение офисов Сложный Сочетание пространственной и атрибутивной информации

Запросы для поиска нужных или проектирования новых ПИО задаются с помощью группы условий, связанных с атрибутивными А& и пространственными Бр свойствами ПИО.

IX если условие выполняется,

и (А(г, Бр) = Г

[0, в противном случае.

Определим возможные задачи принятия решений, определенных на множестве альтернатив — ПИО, соответствующие основным управленческим решениям в СЭС на основе пространственных данных:

— I тип: выбор существующего ПИО (точечного, линейного, полигонального типа) с заданными атрибутивными и пространственными свойствами либо удовлетворяющего группе условий. Для этого может быть поставлена и решена задача многокритериального выбора, где оценками альтернатив являются значения всевозможных атрибутов [2];

— II тип: синтез нового ПИО объявленной классификации (в том числе синтез из примитивов), связанный с указанием его нового местоположения (точка, область, линия).

Примером первого управленческого решения является, например, выбор предприятием обслуживающего отделения банка, территориально расположенного вблизи предприятия либо в направлении наименьшей загруженности транспортом дорог. Во втором случае примером является проектирование нового объекта инфраструктуры банка, в зонах повышенной социальной активности граждан с наименьшим количеством банкоматов конкурирующих банков. Технически организация поиска решения возможна двумя путями: формирование SQL-запроса к базе геоданных либо использование оптимизационных алгоритмов: поиск кратчайшего пути, максимального потока в сети и др., часть которых уже реализована в современных геоинформацион-ных системах.

Теоретико-множественное описание элементов управленческого решения I и II типов «Выбор существующего ПИО» либо «Синтез нового ПИО», представимо в виде

Decision = {Zoom, OBJ, Gr

где Zoom - масштаб представления информационных объектов, влияющий на их характеристики; OBJ - множество ПИО Obj, имеющих пространственные Sp(Obj) и атрибутивные Atr(Obj) свойства; Gr(Obj) - заданные ЛПР границы управленческого решения; U(Atr, Sp) - группа условий; Buf(Obj) - буферная зона ПИО.

Характеристики Gr(Obj), U(Atr, Sp), BufObj), включающие в себя пространственные характеристики, изменяются и зависят от масштаба представления ПИО Zoom.

Задача принятия решения I типа в этом случае представляет пару <OBJ, ОП>, где OBJ — множество ПИО, ОП - принцип оптимальности. Решением данной задачи является множество OBJon с OBJ, полученное с помощью принципа оптимальности ОП. Математическим выражением принципа оптимальности ОП служит функция выбора Dec, сопоставляющая любому подмножеству OBJ его часть, решением OBJОП исходной задачи является множество Dec(OBJ).

Использование функции выбора Dec = Dec(OBJ), формирующей подмножество ПИО, удовлетворяющих заданному условию, позволяет формировать новые целевые подмножества ПИО, обладающие, например, следующими пространственными свойствами:

— выбор подмножества ПИО, находящихся в границах заданного ПИО Obj (либо вне границ):

Dec(OBJ) = {Obj е OBJ\ p(Sp(Ob/), Sp(Obj)) < Gr(Ob/)};

(Dec(OBJ) = {Obj е OBJ p(Sp(Ob/), Sp(Obj)) > Gr(Ob/)});

— выбор подмножества ПИО, находящихся в буферной зоне заданного ПИО Obj* (либо, наоборот, вне буферной зоны):

Dec(OBJ) = Ob je OBJ\ Sp(Obj)) е Buf(Obj)} (Dec(OBJ) = {Obj е OBJ\ Sp(Obj)) g Buf(Obj)}).

Для точечных ПИО решением задачи выбора может являться подмножество ПИО, удовлетворяющих n поставленным ЛПР условиям и использующих как атрибутивные, так и пространственные признаки ПИО. Если условия лексикографически упорядочены, возможно использование произведения функций выбора Dec = Dec1(Dec2(...Decn(Obj))), в которой условия упорядочены по важности от n к 1 и проверка нового условия осуществляется, если полученное на предыдущем шаге множество ИО не пусто. В противном случае при равноважности условий достаточно использовать пересечение найденных ПИО.

Для разноважных условий:

Ded(OBJ)=Dec1(Dec2(..Deq(..Decn(OBJ)...), Ut(Atr(Objj),Sp(Objj))°1.

Для равноважных условий:

п

БеСОБУ)=I ОБУ, Ц/ (АгтОЪ.),Бр(ОЪ].)) °1.

/=1

Для полигональных ПИО решением задач выбора является новый ПИО, являющийся пространственным объединением либо пересечением пространственных свойств найденных ППИО:

п к, п к1

ВефБУ) = т Брг ОЦ)) фефБУ) = ип Брг(ОЪда Брг(ОЪ.) £ Ц(Агт, Бр),

1=1 . =1 г=1 . =1

где п - количество условий; к - количество ППИО, участвующих в постановке задачи выбора при определении /-го условия.

В первом случае формируется новый единственный полигональный ППИО, являющийся пересечением областей, найденных в процессе решения задачи выбора. Во втором случае новый ППИО получен путем объединения множества найденных оптимальных ППИО.

Для линейных ПИО решением задачи выбора является новый ПИО, образованный подмножеством элементов, соединенных оператором конкатенации :

т

БеСОВУ) = 0(ОЪ^-), Ц(Агт, Бр(ОЪ.)) = 1.

7=1

Примером решения задачи выбора является синтез маршрута движения, составленного из отрезков - линейных ПИО, обладающих заданными атрибутивными свойствами (направление движения, скоростной режим, ограничения по габаритам и др.). Отдельные линейные ПИО представляют участки автомобильных дорог города с известными характеристиками. В числе условий присутствует возможность слияния ПИО (конец одного ЛПИО совпадает с началом другого ЛПИО).

Рассмотрим задачу принятия решения II типа, связанную с синтезом нового ПИО. Для ее формализации дополним объявленные в (1) множества и функции: ОБУ* — выбранные взаимосвязанные ПИО, ОБ/е ОБУ; и(Агт, Бр) — выбранные условия построения ПИО, и(Агт, Бр)е Ц(Агт, Бр); Е — множество целевых функций, выражающих принцип оптимальности местоположения нового ПИО, определенных на множествах аргументов Агт и Бр; У(Агт, Бр) - выбранная функция оптимальности.

В общем случае задача синтеза формулируется следующим образом:

БР* = aтgopt

ОЪ}} еОБУ *

ОБУ е ОБУ,

и

ААгт, Бр) е Е.

В задаче синтеза принцип оптимальности может быть выражен как смешанным, так и только пространственным способом: для линейного ПИО - это нахождение маршрута минимальной длины, для точечного ПИО - расположение нового ПИО на минимальном расстоянии от заданных ПИО, для полигонального ПИО - поиск зоны минимальной площади. В то же время не исключается привлечение атрибутивных свойств объектов, вносящих в задачу характеристики, символизирующие предпочтения ИО: стоимость, время прохождения маршрута, риски и др. В этом случае функция / определена также и на атрибутивных данных.

Решением задачи синтеза является определение пространственных свойств, которым должны удовлетворять новые ПИО. Таким образом, процедура синтеза может быть выражена следующими этапами:

1. Определение набора условий, формирующих множество допустимых значений для свойств ПИО.

2. Определение множества допустимых ПИО ОБУ е ОБУ, участвующих в задаче синтеза.

3. Определение состава и типов критериев, описывающих задачу синтеза, Бр(ОЪ. и Агт(ОЪ.).

4. Формирование векторной целевой функцииУ(Агт, Бр).

5. Решение задачи синтеза: поиска пространственной области БР , удовлетворяющей заданным условиям, доставляющей максимум (минимум) целевой функции.

6. Определение новых пространственных объектов ОЪ., удовлетворяющих условию: Бр(ОЪ.) е БР*.

Заключение

Использование пространственных характеристик в управлении информационными объектами СЭС расширяет возможности решения задач выбора. В то же время формирование управленческих решений для пространственных объектов СЭС зависит от масштаба карты и типов пространственных информационных объектов. Предложенные механизмы сочетания атрибутивных и пространственных данных позволяют построить алгоритмы управления.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Квятковская И. Ю. Концептуальная информационная модель регионального кластера // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. - 2009. - № 1. - С. 55-59.

2. Теория выбора и принятия решений: учеб. пособие. — М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1982. — 328 с.

Статья поступила в редакцию 18.06.2010

MANAGEMENT OF THE SPATIAL DISTRIBUTED INFORMATION OBJECTS OF SOCIAL AND ECONOMIC SYSTEMS

K. I. Kvyatkovskiy

Application of a geoinformation technology expands management possibilities with social and economic systems, allocating information objects with spatial characteristics. Two problems of decision-making connected with a choice of the set and optimum subsets of information objects and a task in view of synthesis of the new spatial object, using as arguments of criterion function topological characteristics are fixed. The proposed mechanisms of correlation of attributive and spatial data allow to design the management algorithms.

Key words: geoinformation technology, spatial information object, choice problem, synthesis.