авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Синтез системно-динамических моделей регионального промышленного комплекса на основе формализации коллективных экспертных знаний

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Быстров Виталий Викторович

СИНТЕЗ СИСТЕМНО-ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ РЕГИОНАЛЬНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА НА ОСНОВЕ ФОРМАЛИЗАЦИИ КОЛЛЕКТИВНЫХ ЭКСПЕРТНЫХ ЗНАНИЙ

Специальность:

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

(в промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тверь 2008

Работа выполнена в институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор технических наук, Горохов Андрей Витальевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кузнецов Владимир Николаевич
кандидат физико-математических наук Бродский Юрий Игоревич
Ведущая организация: Институт системного анализа РАН, г. Москва

Защита состоится « 27 » июня 2008 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.04 в Тверском государственном техническом университете по адресу: 170026, г. Тверь, наб. Аф. Никитина, 22, комн. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат размещен на сайте ТГТУ http:://www.tstu.tver.ru/new_struct/

Phd/27062008_2.zip

Автореферат разослан « 27 » мая 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Филатова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

На сегодняшний день в Мурманской области складывается тенденция, которая характеризуется резким повышением общего количества энергопотребления в ближайшее время. Данная ситуация образуется из-за планируемого крупномасштабного строительства и введения в эксплуатацию транспортных и промышленных объектов, к которым относятся международный морской транспортный узел с крупным контейнерным терминалом, железобетонный завод, разработка Штокмановского месторождения запасов природного газа и нефти. В связи с этим резко возрастет нагрузка на топливно-энергетический комплекс Кольского полуострова. Эти причины вынуждают разрабатывать управленческие стратегии по стабилизации будущего положения в регионе. Из-за наличия большого количества разнородных элементов, многочисленных взаимосвязей между ними заставляет рассматривать топливно-энергетический комплекс региона как сложную систему.

На современном этапе развития отраслей производства растут требования к рациональному обоснованию управленческих решений, влияющих на различные аспекты функционирования сложных систем. Экспериментальные воздействия на такие системы обычно невозможны или нежелательны по многим причинам, таким как ограниченные временные рамки, опасность необратимых изменений, высокая стоимость. Поэтому основным методом исследования и прогнозирования поведения сложных систем служит имитационное моделирование. Одним из эффективных методов имитационного моделирования является системная динамика. Как показывает практика, процесс построения адекватной системно-динамической модели затрудняется с увеличением сложности объекта моделирования.





Поэтому основное внимание в диссертационной работе направлено на решение проблемы автоматизации процесса создания динамических моделей сложных систем. В качестве аппарата для этого выбрано концептуальное моделирование, достаточно проработанное в Институте информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН для разных приложений. Концептуальная модель используется для перехода от экспертных знаний к их формальному описанию, допускающему единственную интерпретацию, после чего становится возможен формальный синтез динамических моделей исследуемых систем.

Приведенная выше аргументация обосновывает следующую формулировку цели выполненных в диссертационной работе исследований.

Цель работы состоит в разработке информационной технологии и инструментальных средств синтеза системно-динамических моделей сложных систем на основе формализации коллективных экспертных знаний.

Для реализации этой цели автором решены следующие

Основные задачи:

  1. Создание на базе функционально-целевого подхода средств формализации и представления экспертных знаний в виде концептуальных моделей предметной области.
  2. Разработка процедур обработки знаний, обеспечивающих формальный синтез системно-динамических моделей на основе технологии концептуальных шаблонов.
  3. Разработка методики количественной оценки точности композитных системно-динамических моделей.
  4. Разработка программного комплекса автоматизации синтеза системно-динамических моделей сложных промышленных систем.
  5. Апробация разработанных информационной технологии и средств автоматизации моделирования на примере создания прототипа имитационной модели топливно-энергетического комплекса Мурманской области.

Методы исследования. Для решения сформулированных в работе задач использованы: функционально-целевой подход; метод системной динамики; теория графов; элементы математической логики и теории множеств; методы решения экстремальных задач.

Научная новизна. Разработана информационная технология концептуальных шаблонов для синтеза динамических моделей сложных систем. Технология обеспечивает интеграцию коллективных экспертных знаний и построение имитационных моделей из типовых шаблонов, что существенно повышает корректность моделей и сокращает сроки их разработки. Основные аспекты научной новизны следующие:

  1. Формализовано понятие концептуального шаблона;
  2. Разработаны методы и процедуры синтеза системно-динамической модели из набора типовых шаблонов;
  3. Предложена методика количественной оценки точности синтезированной системно-динамической модели;
  4. Технология алгоритмизирована и реализована в виде программного комплекса автоматизации синтеза системно-динамических моделей сложных промышленных систем.

Актуальность и научная новизна работы подтверждены включением разработанной технологии концептуальных шаблонов для синтеза динамических моделей сложных систем в перечень важнейших результатов Российской академии наук за 2006 год по ОИТВС РАН.

Практическая ценность. В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН в период с 2003 по 2007 годы. «Методы и модели синтеза стратегий устойчивого развития региональных социально-экономических систем (на примере Мурманской области), № государственной регистрации: 01.200.2 09390; «Информационные технологии управления инновационным развитием региона (на примере Мурманской области)», № государственной регистрации: 0120.0 502662.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на факультете Информатики и прикладной математики Кольского филиала Петрозаводского государственного университета. Методика оценки точности системно-динамических моделей используется в лекционном курсе «Моделирование систем», программный комплекс применяется в лабораторном практикуме по дисциплине «Теория информационных систем и процессов».

Программный комплекс применяется в научно-исследовательской и инновационной деятельности Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Автор является членом ведущей научной школы НШ-8249.2006.9 «Разработка и развитие информационных технологий поддержки управления региональным развитием».

Научная апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на первой всероссийской конференции «Теория и практика системной динамики» (Апатиты, 2004 г.), второй всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (С-Петербург, 2005 г.), VII всероссийской школе-семинаре «Прикладные проблемы управления макросистемами» (Апатиты, 2006 г.), второй всероссийской конференции «Теория и практика системной динамики» (Апатиты, 2007 г.), IX международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (г. Самара, 2007 г.), II всероссийской научной конференции ЭКОМОД 2007 (г. Киров, 2007 г.).

Основные положения, выносимые на защиту:

  1. Формализация понятия концептуального шаблона;
  2. Методы и процедуры синтеза моделей системной динамики из типовых шаблонов;
  3. Методика количественной оценки точности композитной системно-динамической модели;
  4. Программный комплекс автоматизации синтеза системно-динамических моделей сложных промышленных систем.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (120 наименований). Имеет общий объем в 144 печатных страницы, содержит 28 рисунков, две таблицы и 5 приложений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работы: 6 статей в цитируемых изданиях (из них 1 – в списке ВАК); 2 – материалы всероссийских конференций, 4 – статьи в сборнике института информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН,

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматривается современное состояние решаемых в диссертации проблем и актуальность темы, формулируется цель и основные задачи выполненных исследований, приводятся данные о внедрении и апробации результатов работы, описывается ее структура.

В первой главе проводится сравнительный анализ современных программных продуктов автоматизации моделирования сложных систем.

В программном обеспечении, использующемся для компьютерного моделирования, можно выделить четыре уровня. Нижний — программирование в кодах, автокоды, машинно-ориентированные языки, операционные системы. Следующий уровень образуют алгоритмические языки высокого уровня и соответствующие системы программирования, СУБД. Третий уровень — специализированные алгоритмические языки моделирования. Наконец, четвертый уровень, образуют интегрированные системы компьютерного моделирования.

Интегрированные системы моделирования используются как инструменты при разработке проблемно-ориентированных информационных систем, в рамках которых осуществляется компьютерное моделирование, связанное с изучением и прогнозированием поведения конкретных реальных процессов и объектов. Интегрированные системы можно разделить на четыре класса: проблемно-ориентированные информационных системы, экспертные системы, интерактивные оптимизационные системы, интерактивные системы моделирования с идеографическим языком представления модели.

В названных выше системах остается не решенной проблема эффективной поддержки процесса формирования и анализа структуры модели исследуемого процесса, и тем более его автоматизации. Суть проблемы заключается в том, что компьютерная реализация динамической модели требует адекватного отображения всего множества разнообразных понятий реального мира на ограниченный набор элементарных объектов системы моделирования. Формализация экспертных знаний с помощью концептуальных моделей позволяет строить формальные алгоритмы и, на их основе, автоматизировать процесс моделирования сложных динамических систем.

Вторая глава содержит описание топливно-энергетического комплекса Мурманской области как сложной системы. В составе ТЭК можно выделить следующие блоки: производство тепло- и электроэнергии, потребление тепло- и электроэнергии, ее передача и распределение. Функции каждого блока выполняют промышленные предприятия региона.

В главе дается описание концептуальной модели предметной области. Концептуальная модель объекта моделирования, ориентированная на моделирования в терминах системной динамики и шаблонов, представлена в виде множества:

КМ={Tr, A, E, Vk, Proc}, где

Tr – дерево целей сложной системы;

А – множество шаблонов;

Е – множество экземпляров шаблонов;

Vk – множество понятий, терминов и норм предметной области;

Proc – множество процедур, устанавливающих взаимосвязи между элементами концептуальной модели.

В свою очередь дерево целей, являющееся представлением концептуальной модели предметной области, может быть формально записано как объединение множества вершин всех уровней декомпозиции и множества примитивов - вершин, для которых дальнейшее разбиение цели не производится.

Tr = , где k – уровень иерархии, nk – количество вершин дерева целей на k-ом уровне иерархии, а множество является объединением вершин нижестоящего уровня, где m – количество нижестоящих вершин для данной вершины.

Для удобства представления информации о вершине дерева целей, ее можно рассматривать как кортеж =<Id, G, F >, Id – некий идентификатор вершины, G – цель вершины, F – некий закон, описывающий правило объединения дочерних вершин.

Множество L – множество примитивов дерева целей концептуальной модели.

Для организации синтеза вводится понятие шаблона – некоторая типовая конструкция, обладающая неизменной структурой и набором входных и выходных параметров, а также функционально реализующая определенную цель.

Множество шаблонов А={Pi}, где i=1,…,m., m-размерность множества А.

Формально шаблон можно представить в виде следующего множества:

P = {St, Fn, X, Y, I}, где St – множество структурных элементов шаблона, Fn – закон функционирования шаблона, X – множество входных параметров шаблона, Y – множество выходных параметров, I – множество начальных значений.

В работе отдельный шаблон реализовывается в виде модели системной динамики. Учитывая указанный факт, можно конкретизировать составляющие элементы шаблона.

Множество структурных элементов (структура модели):

St = Lev Fl Const Ax Lk, где

Lev –множество уровней, причем lLev : l = <Name_L, Init_L>, Name_L и Init_L – название и начальное значение уровня;

Fl – множество потоков, причем fFl : f = <Name_F, Name_Out, Name_In, Temp>, Name_F – название потока, Name_Out – название уровня, из которого исходит поток, Name_In – название уровня, в который входит, Temp – скорость потока;

Const – множество констант, причем cConst : c = <Name_C, Init_C>, Name_C и Init_C – название и начальное значение константы;

Ax – множество переменных, причем aAx : a = <Name_Ax, F>, Name_C – название переменной, F – закон определения значения переменной;

Lk – множество информационных связей, kAx : k = <Name_Link, a, b>, Name_Link – название связи, a,bVk St / Lk, Vk – множество вспомогательных переменных.

В работе рассматривается ситуация, когда входными и выходными параметрами шаблона являются потоки, т.е. X, Y Lev.

Закон функционирования шаблона задан в виде системы разностных уравнений, определяющих значения всех структурных элементов шаблона в заданный момент времени.

На этапе синтеза структуры модели происходит сопоставление примитиву некоторого шаблона. В результате данной процедуры определяется множество экземпляров шаблонов Е – шаблоны, заполненные значениями параметров.

Также введено множество вспомогательных переменных. Основное назначение данных объектов заключается в дополнении модели, построенной на основе шаблонов, экспертными оценками, т.е. Vk – множество вспомогательных переменных модели.

Знания экспертов о системе можно разделить на декларативные и процедурные. Декларативными знаниями являются основные понятия данной предметной области и отношения между ними, формализованные в виде концептуальной модели. Процедурные знания экспертов реализованы в базе знаний в виде процедур вывода, которые позволяют формализовать процесс синтеза динамической модели. На вход процедур подаются декларативные знания базы знаний, на выходе получаются элементы моделей системной динамики.

Таким образом, Proc={d, D, , , R1, R2} – множество процедур вывода, детальное описание каждой из которых приведено в третьей главе диссертационной работы.

На основе предложенной концептуальной модели разработана методика формального синтеза системно-динамических моделей сложных систем.

Третья глава посвящена описанию процесса синтеза модели системной динамики на основе шаблонов. Приводится алгоритм синтеза, сводящийся к последовательному применению процедур вывода к декларативным знаниям базы знаний.

Процедуры вывода представляют собой отображения структуры концептуальной модели, в данном случае это декларативные знания базы знаний, в структуру динамических моделей.

База знаний содержит три группы процедур вывода.

  1. Процедуры вывода, определяющие для каждого шаблона модели покрывающие действия. Будем их называть процедуры сопоставления.
  2. Процедуры вывода, определяющие материальные связи между шаблонами в динамической модели.
  3. Процедуры вывода, определяющие информационные связи между шаблонами в динамической модели.
  1. Процедуры вывода D и d определяют для каждого шаблона модели покрывающие.

1.a. Процедура сопоставления примитиву шаблона.

Назначением данной процедуры является осуществить покрытие примитива дерева целей концептуальной модели экземпляром шаблона (экземпляр шаблона – это шаблон, заполненный конкретными данными, начиная от названий всех структурных элементов и заканчивая числовыми значениями).

Пусть Tr – множество вершин дерева целей концептуальной модели, L Tr – множество примитивов, тогда процедуру D можно определить как отображение множества примитивов на множество экземпляров.

D : L A, (1)

Причем li L aj A: fi = Fnj, ,

где fi – цель примитива, Fnj – цель функционирования шаблона,

m – количество примитивов дерева целей концептуальной модели,

k – количество экземпляров шаблонов.

1.b. Процедура задания экземпляра.

Пусть Е – множество всех экземпляров в модели, а А – множество всех шаблонов.

Процедуру d можно в общем случае представить как отображение множества шаблонов на множество терминов и норм.

d: D(L) VW, (2)

причем ai A ej E: ( s Sti vV) & ( c Ii wW ), ,

где n – количество шаблонов в системе,

k - количество экземпляров шаблонов в системе.

Т.е. для любого шаблона из множества шаблонов модели существует экземпляр, только тогда, когда каждому элементу структуры шаблона найдется соответствующий элемент множества понятий и терминов и когда каждому начальному значению шаблона будет задано значение из нормативной базы – множества коэффициентов и констант W.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.