Введение Актуальность проблемы.
В конце двадцатого столетия одной из главных особенностей, определяющих развитие цивилизации, явилась необычайно возросшая мощь информационных и коммуникационных технологий. Происходит переход к информационному обществу, в том числе в сфере государственной власти и управления с целью повышения качества подготовки и принятия решений. Так, информационные модели, построенные на цифровых картах, используются сегодня все шире в различных задачах управления, отражая воспроизводственные процессы территориально-распределенных ресурсов (материальных, финансовых, природных, трудовых) и динамику их изменений.
Информационная политика в России разрабатывается и реализуется на следующих пяти уровнях, организованных и взаимодействующих в горизонтальных разрезах (территориально-распределенные связи) и вертикальных (иерархические связи соподчиненности): индивидуальном, отдельного хозяйствующего субъекта, региональном, отраслевом, государственном (федеральном). Важнейшим системообразующим фактором, например, является агрегирование пространственно-распределенных данных (ПРД) и решений от уровня к уровню. В целом же, обобщение и комплексирование данных, а также формирование и выбор альтернативных вариантов управленческих решений на основе технологий вычислительного моделирования, поиска логического вывода, многокритериального принятия решений и цифровых коммуникаций позволяют поддержать системный подход к построению информационных систем и систем поддержки принятия решений органами государственной власти и управления (ОГВ). Один из первых циклов исследований в этих направлениях выполнен в Международном институте прикладного системного анализа (K.Fedra, Лаксенбург, Австрия) еще в середине 80-х годов, хотя каких-либо полных технологий, закрывающих проблему эффективной технологической поддержке указанной деятельности нет. Эффективное и полное решение проблемы еще далеко от
завершения. Да и вряд ли в будущем кто-либо сможет сказать в этой сфере, что последнее слово принадлежит ему.
Данная диссертация посвящена продвижению решения проблемы в части создания корпоративной (т.е. функционирующей в рамках глобальных и/или локальных вычислительных сетей и предоставляющий своим пользователям особые корпоративно-технологические возможности) интеллектной (т.е. обеспечивающей поддержку процессов подготовки и принятия решений на основе методов искусственного интеллекта) технологии обработки распределенного информационного ресурса, аккумулируемого пространственно (территориально и иерархически), с ее апробацией на региональных управленческих задачах. Использование такой технологии должно поддержать, помимо прочего, решение следующих важных информационно-аналитических задач ОГВ:
- анализ существа проблем путем выделения наиболее существенных факторов, обнаружения причинно-следственных связей, прогнозирования возможных последствий реализации вариантов управленческих решений на основе математического моделирования с использованием методов и систем логического вывода;
- выработку рекомендаций и условий по достижению желаемых результатов, альтернативных вариантов управленческих решений, поиск компромисса и выделение наиболее предпочтительных решений по набору обычно противоречащих друг другу критериев на основе методов многокритериальной оптимизации.
Основополагающими работами для создания удовлетворяющей указанным потребностям технологии явились работы ряда ведущих специалистов в области ГИС, распределенной обработки данных, многокритериального принятия решений и интеллектуализации программных систем (Берлянт A.M., Васильев С.Н, Воробьев В .В., Калиниченко Л.А., Кошкарев А.В., Ларичев О.И., Ноженкова Л.Ф., Подиновский
У-
В.В., Свентэк Ю.В., Симонов А.В., Тикунов B.C., Федотов A.M., Fedra К., Date C.J. и многие др).
Рассмотрим состояние проблемы, решаемой в диссертации.
Развитие сетевых технологий, Интернет, разнообразие информации и функций обработки, желание учесть особенности пользователя и многие другие причины ставят перед специалистами, создающими корпоративные и другие информационные ресурсы, задачи по синтезу различных информационных технологий. В качестве системообразующей, для организации удаленного доступа к таким ресурсам многими авторами рассматривается WWW'-TexHononw. Заметим, что в рамках этой технологии имеется возможность создавать корпоративные ресурсы, используя возможность протоколов HTTP2 и FTP3 и их комбинации, подключая СУБД, их приложения, а также другие "внешние" программы, работающие на основе таких решений, как CGI4, IS API5, и др. При включении в состав клиентского обеспечения так называемых модулей Plug-in обеспечивается возможность прямого просмотра и работы с документами, г выполненными в иных, нежели HTML6, форматах (SWF7, SVG8, VRML9 и т.д.). Использование языков JAVA, Delphi, C++ позволяет создавать оригинальные интерфейсные и иные приложения, которые позволяют существенно разнообразить способы работы с информацией в режиме удаленного доступа. Весь представленный спектр технологий используется и при создании корпоративных ресурсов, включающих ПРД, на основе интеграции WWW- и ГИС-технологий.
Под термином "геоинформационная система" (ГИС) здесь и далее понимается компьютерная информационная система для обработки пространственно
1 Аббрев. от World Wide Web
2 Аббрев. от Hyper Text Transfer Protocol
3 Аббрев. от File Transfer Protocol
4 Аббрев. от Common Gateway Interface
5 Аббрев. от Internet Server Application Programming Interface
6 Аббрев. от HyperText Markup Language
7 Аббрев. от Shockwave Flash
8 Аббрев. от Scalable Vector Graphics
9 Аббрев. от Virtual Reality Markup Language
у-
распределенных данных о Земле (характеризующих различные аспекты - природные ресурсы, ландшафты, экология, урбанизация и пр.) основой интеграции которых служит географическая информация. Среди лидеров коммерческих ГИС можно выделить фирмы ESRI (системы Arclnfo, ArcView, IMS, SDE), Maplnfo (Maplnfo, MapXsite), Autodesk (Autodesk MapGuide), Intergraph (GeoMedia), CadDY (CadDY). Наиболее успешные коммерческие разработки в нашей стране представлены фирмами GeoCad, ИГ РАН (GeoDraw), ГИС Sinteks ABRIS (ТРИСОФТ), ГИС ПАРК (Ланэко), ГИС ПАНОРАМА (КБ ПАНОРАМА).
ПРД, в отличие от многих других данных, имеют довольно устоявшуюся структуру, накоплены разнообразные методические и технологические решения их представления и обработки. Но до не давнего времени практически отсутствовала возможность их публикации в Интернет, и только благодаря появлению новых каналов связи и развитию микроэлектронной базы ЭВМ появились десятки WWW-серверов, содержащих ПРД, в частности, топографические данные. До настоящего времени эти ^ серверы обеспечивали выбор и просмотр заранее определенного набора изображений в графических форматах. Такая организация работ учитывала невысокую пропускную способность телекоммуникационного канала и имела следующие достоинства: простота публикации, низкие требования к аппаратному обеспечению сервера, использование клиентом стандартного браузера. С учетом дальнейшего развития коммуникационных каналов в настоящее время активно начали применяться при создании информационных систем для ОГВ такие современные информационные технологии, как Интернет/Интранет технологии, "клиент-серверные" технологии и ГИС-технологии. Указанные выше технологии обеспечивают сопряжение различных типов информационных серверов (SQL, WWW и т.д.) как в составе одного информационного узла, так и находящихся в различных информационных узлах региональной компьютерной сети. В последнее время активно развивается
У-
направление формализации описания данных на основе ХМЬ10(подмножества SGML '), т.е. создания языков разметки с элементами и атрибутами, адаптированными под специфические особенности решаемых задач, в частности задач формирования документов. Применение данного подхода позволяет плоскую модель данных (принятую в HTML-документах) превратить на основе введенных элементов описания в сложную иерархическую систему с множеством возможных связей между элементами и достигнуть кардинального снижения себестоимости разработки информационных проектов (имеется в виду стоимость поддержки и масштабирования). Для представления ПРД Консорциум геоданных открытых систем OGISC12 предложил язык картографической разметки GML13, разработанный на основе XML. Компанией Autodesk разработана спецификация LandXML - расширение языка XML в области землеустройства, геодезии и генпланирования, предоставляющая возможность обмениваться данными разных платформ проектирования. В настоящее время XML становится стандартом обмена информацией, который поддерживается все большим г количеством программных систем, включая последние версии браузеров и СУБД.
В соответствии с общей тенденцией активного внедрения сетевых технологий, производится разработка новых корпоративных геоинформационных технологий, расширяющих функциональную обработку коллективом пользователей единого набора ПРД в рамках локальных и/или глобальных сетей. Тем самым создаются технологические предпосылки для построения территориально-распределенных, проблемно-ориентированных и корпоративных информационных сетей и систем в виде логических и других надстроек над единой телекоммуникационной средой. В частности, к уже традиционным функциям ГИС, реализующим элементарные операции над картами (масштабирование, сдвиг, ввод и модификация объектов, а также задание слоев, вывод атрибутивной информации об объекте и др.), добавляются новые
' Аббрев. от eXstensible Markup Language Аббрев. от Standard Generalized Markup language ! Аббрев. от Open Geodata Information Systems Consortium
возможности: формирование сложных запросов, вычислительное моделирование и т.п. Кроме того, существует ряд ГИС-задач, эффективное решение которых, применяя традиционные средства ГИС и даже в сочетании с аппаратом численного моделирования, получить достаточно трудно (даже когда известно, в каком классе математических моделей следует проводить их идентификацию силами как специалистов по моделированию, так и экспертов той предметной области, к которой относятся моделируемые объекты). Таковой, например, может оказаться задача моделирования процессов динамики той или иной природной среды, когда в качестве верхнего уровня моделирования требуются те или иные методы искусственного интеллекта, позволяющие поднять степень автоматизированности решения задачи параметрической идентификации системы дифференциальных уравнений динамики древостоя, с учетом управляющих воздействий (лесонасаждения и рубки) и неконтролируемых факторов (пожары, заболевания леса от вредителей и т.п.). В этих и других задачах (например, распознавания образов при обработке данных ^ дистанционного зондирования) полезны как алгоритмы, так и исчисления (логические, продукционные и др.), по-существу являющиеся «исчислениями возможностей» и позволяющие заменить процедурный (алгоритмический) стиль решения, предполагающий профессиональное программирование, на декларативный стиль, приближенный к конечному пользователю и предполагающий ввод задачи в терминах «что дано» и «что требуется» без явного указания алгоритма решения (решение ищется средствами искусственного интеллекта).
Другим средством интеллектуализации информационных технологий поддержки управленческих решений являются новые средства многокритериального принятия решений, способные работать в слабоструктурированной среде, в частности, когда задача многокритериального выбора формализуется заданием только обобщенных
13 Аббрев. от Geography Markup Language
10
ранжировок альтернативных решений по каждому критерию, т.е. таких, в которых предпочтение задается лишь качественно («строго предпочтительнее», «равноценны»).
Указанные выше потребности автоматизации и интеллектуализации решения задач возникают в самых разных задачах поддержки управленческих решений. Эти задачи часто характеризуются также большими объемами и разветвленной структурой данных, сложными связями подсистем, неполнотой и неточностью исходной информации.
Необходим новый подход к реализации крупных ГИС-проектов, основанный на технологических решениях, которые обеспечивают значительное повышение эффективности создаваемых систем путем создания единого корпоративного поля данных и использования более мощных средств интеллектуализации этих систем с применением знаний экспертов, формализованных в разной степени.
В результате обзора, приведенного во введении диссертации, сформулирована
совокупность требований к разрабатываемой технологии. Методы и средства данной
У технологии для снижения трудоемкости процессов накопления и обработки данных,
повышения надежности и оперативности, а также обоснованности принимаемых
управленческих решений должны:
1) реализовывать корпоративную обработку ПРД в глобальных и/или локальных сетях на основе Интернет/Интранет-технологий;
2) обеспечивать межклиентское взаимодействие по схеме "клиент!-...-клиентп-сервер", с использованием ПРД сервера и клиентов;
3) обеспечивать формализацию описания корпоративного поля ПРД;
4) обеспечивать возможность использования машины вывода и вычислительного моделирования для обработки экспертных знаний, ПРД и генерирования альтернативных вариантов управленческих решений;
5) использовать многокритериальный выбор решений, в том числе в слабоструктурированной среде, когда критерии задаются качественно — в виде отношений предпочтения;
п
6) обеспечивать дружественность интерфейса с пользователем;
7) предоставлять возможность независимого ввода данных от системы обработки и визуализации ПРД;
8) реализовывать администрирование системы только на сервере;
9) обеспечивать разнообразность форм представления результатов (в виде таблиц, графиков, карт).
Целью диссертации является разработка корпоративной интеллектной технологии обработки пространственно-распределенных данных, позволяющей повысить эффективность подготовки, анализа и принятия решений в задачах управления регионом и природопользования на основе применения распределенной обработки данных и методов искусственного интеллекта.
Основная идея работы заключается в использовании механизмов распределенной модели многокомпонентных объектов (DCOM) для организации взаимодействия с ГИС-клиентами и обмена информацией между процессами в среде Windows для реализации ГИС-сервера (OLE-automation), концепции расширяемого языка разметки (XML) для описания корпоративного пространства данных, возможностей логических методов, вычислительного моделирования для генерирования множества альтернативных решений и многокритериальной оптимизации для сужения его на основе качественных оценок.
Методы исследований. В работе использован комплекс методов исследований, включающий:
- методы математического моделирования динамических систем с конечным числом состояний;
- методы автоматического доказательства теорем;
- методы формирования и анализа системы целей;
- методы многокритериальной оценки альтернатив;
- методы проектирования концептуальных и логических схем БД, организации среды хранения данных, планирование путей доступа к данным;
12
г-
- методы формализации информационных и функциональных требований к информационным системам (CASE);
- методы создания программных комплексов для функционирования в Интернет/Интранет (DCOM);
- методы пространственного анализа, сбора, хранения, преобразования, отображения и доступа пространственно-распределенных данных.
Основные научные положения, защищаемые автором:
корпоративная интеллектная технология обработки пространственно-распределенных данных обеспечивает повышение эффективности подготовки, анализа и принятия решений в задачах управления регионом на основе применения распределенной обработки данных (атрибутивных и картографических), методов логического вывода и многокритериального принятия решений;
- формализация описания корпоративного поля обеспечивает реализацию абстрактного хранилища метаданных о корпоративных пространственно-распределенных данных;
- реализация корпоративной обработки пространственно-распределенных данных в глобальных и/или локальных сетях на основе Интернет/Интранет-технологий с обеспечением межклиентского взаимодействия по схеме "клиент!-...-клиентп-сервер", используя пространственно-распределенные данные сервера и клиентов обеспечивает создание динамически связанных компонент, расположенных на различных компьютерах (в локальных и/или глобальных сетях) и совместное использование данных (атрибутных и картографических) распределенных, в том числе, и по клиентам;
- инкорпорирование логического вывода (по-формул) и автоматизации процессов вычислительного моделирования при обработке пространственно-распределенных данных позволяет на основе формализованных знаний провести генерирование альтернативных вариантов управленческих решений;
13
инкорпорирование многокритериального выбора решении на основе качественных оценок с сужением парето-оптимального множества позволяет представить пользователю специалисту значительно сокращенную выборку альтернатив; разработка продукционного подхода к обработке экспертных знаний с формализацией с использованием файлов в формате dbf повышает эффективность обработки пространственно-распределенных данных;
подсистемы геоинформационной системы органов власти и управления Иркутской области "Социально-экономический паспорт территории", "Жилищно-коммунальное хозяйство", "Электрические сети напряжением 500кВ -ЮкВ ", "Опорные предприятия", "Экологически опасные предприятия", "Культурно-историческое наследие";
автоматизация построения вычислительных моделей для моделирования динамики управления древостоем, как одного класса математических моделей динамики природных ресурсов и окружающей среды, с последующим применением созданных моделей для прогнозирования и многокритериальной оптимизации вариантов природопользования.
Достоверность. Научные положения и выводы обоснованы: корректным применением опубликованных методов логического вывода и многокритериального выбора решений;
использованием известных механизмов и методов построения корпоративных систем;
преимуществами разработанной технологии над отечественными и зарубежными аналогами;
применением разработанных систем в ОГВ администрации Иркутской области для подготовки и принятия управленческих решений.
14
Научная новизна работы заключается в следующем:
вскрыты (исследованы) основные тенденции развития технологий обработки
пространственно-распределенных данных, определяющие актуальные направления
их развития для задач управления регионом и природопользования;
сформулирован методический подход к построению корпоративной интеллектной
технологии обработки пространственно-распределенных данных;
выявлены характеристики пространственно-распределенных данных для
формирования формального описания корпоративной интеллектной
информационной среды;
обоснованы информационно-технологические решения применения логического
вывода (по-формул) и автоматизации процессов вычислительного моделирования
при обработке пространственно-распределенных данных для генерирования
альтернативных вариантов управленческих решений;
обоснованы информационно-технологические решения использования в задачах
обработки пространственно-распределенных данных многокритериального выбора
решений, в том числе в слабоструктурированной среде, когда критерии задаются
качественно - в виде отношений предпочтения;
впервые разработаны архитектура и алгоритмы корпоративных интеллектных
систем обработки пространственно-распределенных данных на основе синтеза
продукционного и логического формализмов представления знаний,
многокритериальной оптимизации, клиент-серверных, геоинформационных и
Интернет-технологий;
разработан комплекс программ в рамках предложенной корпоративной
интеллектной технологии с использованием настольных геоинформационных
систем Maplnfo и КАМАТ14. Выбор базовых систем обусловлен, в том числе и тем,
что ГИС Maplnfo является одной из наиболее распространенных коммерческих
14 Аббрев. от КАртографо-Математический Анализ Территорий.
15
niC, а КЛМАТ - сервированной Роскархографией программной „ой, активно используемой в ОГВ Иркутской области.
Практическая значимость результатов исследований.
Внедрение изложенной в диссертации технологии обеспечивает повышение эффективности создания, эксплуатации и развития систем подготовки и принятия региональных управленческих решений и путем тиражирования вносит значительный вклад в развитие экономики региона. Практическое применение разработанной интеллектной технологии позволяет принципиально расширить класс решаемых геоинформационных задач, повысить производительность, уровень автоматизации и качество получаемых решений, а также расширить круг специалистов, применяющих данные технологии. Предлагаемая система организации удаленного доступа позволяет оптимальным образом использовать информационные ресурсы: исключается обязательность размещения сертифицированных данных на каждом локальном рабочем месте и необходимость закупки как локальных (для каждого рабочего места), > так и сетевых версий ГИС. Упрощается администрирование (на уровне организации доступа к серверу), так как устраняется необходимость тиражирования данных и программного обеспечения; обновление данных выполняется на рабочих местах у владельцев информации, где осуществляется администрирование, как данных, так и программ в рамках технической поддержки соответствующих серверов/клиентов.
Личный вклад автора. Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в руководимых автором Иркутском региональном центре геоинформационных технологий СО РАН и лаборатории "Методов и систем искусственного интеллекта" ИДСТУ СО РАН в рамках обозначенных ранее тем и грантов, по которым автор являлся научным руководителем (или соруководителем) и/или ответственным исполнителем. Все результаты, включенные автором в диссертацию, получены лично автором или в неделимом соавторстве. К числу последних относятся только использование языка по-формул для интеллектуализации ГИС и программная реализация для задачи динамики управления древостоем (ДУД)
16
совместно с Васильевым С.Н. и Черкашиным Е.А., постановка и решение задачи многокритериального выбора альтернатив в задаче ДУД с Васильевым С.Н. и Котловым Ю.В., концепция межклиентского взаимодействия с Хмельновым А.Е. и Кухаренко Е.Л., формализм описания геоданных с Кухаренко Е.Л.; реализация программной части системы, которая выполнена автором совместно с коллективом указанной лаборатории под руководством и при непосредственном участии автора. Результаты, составляющие новизну, получены лично автором.
Реализация результатов работы. Полученные научные результаты и выводы использованы при разработке концепции создания геоинформационной системы органов власти и управления Иркутской области, проекта муниципальной геоинформационной системы г.Иркутска, целевой программы "Информационно-телекоммуникационные ресурсы Сибирского отделения РАН", проекта «Создание и развитие научно-аналитического центра мониторинга образовательных ресурсов Восточно-Сибирского региона (Республика Бурятия, Республика Тыва, Иркутская > область, Читинская область)», ряда научных проектов, в том числе по конкурсам РФФИ, РГНФ, интеграционным проектам СО РАН и т.п. Осуществлена программная реализация и апробация разработанных программных средств путем решения информационно-управленческих задач в интересах ряда комитетов администрации Иркутской области (контракты с администрацией Иркутской области №№1.8.1.98, 1.8.3.98, 1.1.4.00, 43-2000, 55-2000, 56-2000).
Разработанные программы внедрены в администрации Иркутской области, ИГ СО РАН, ИрГТУ, ИГУ, ВостСибАГП.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы, отдельные положения, а также результаты конкретных прикладных исследований и разработок докладывались на научных семинарах и конференциях ИДСТУ СО РАН, на региональных научных и научно-практических конференциях и совещаниях, а также на совещаниях СО РАН, посвященных информатике, искусственному интеллекту, распределенным и геоинформационным системам.
17