Введение к работе
Актуальность исследования. Управление топливно-энергетическим комплексом (ТЭК) страны в настоящее время невозможно без научного обоснования перспективных направлений развития ТЭК. Одним из важных аспектов в исследованиях развития ТЭК являются исследования направлений развития ТЭК с позиций энергетической безопасности (ЭБ).
ЭБ рассматривается как составляющая национальной безопасности, в частности, как состояние защищенности граждан, общества, государства и экономики от угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в различных условиях1. Институт систем энергетики им Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН является одним из лидеров в области исследований энергетики. В ИСЭМ СО РАН выполняются различные исследования в области энергетики, в том числе исследования направлений развития ТЭК России, регионов и отдельных отраслевых систем энергетики с позиций ЭБ.
Невозможность проведения натурных экспериментов в исследованиях ЭБ определяет главенствующую роль методов математического моделирования и вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ. Существующие в ИСЭМ СО РАН технологии исследования ЭБ базируются на проведении сложных вычислительных экспериментов. В ходе таких вычислительных экспериментов проводятся исследования на основе технико-экономических моделей отдельных отраслевых систем энергетики, экономико-математических моделей ТЭК в целом, а также исследования угроз ЭБ на основе когнитивного и событийного моделирования. Все это определяет актуальность задачи преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики.
Исследованиями в области проведения и автоматизации вычислительного эксперимента в различных сферах занимались А.А. Самарский, М.М. Горбунов-Посадов, В.И. Легоньков и др. В исследованиях энергетики вопросами организации вычислительного эксперимента занимались Л. А. Меленть-ев, А.А. Макаров, Л.Д. Криворуцкий, И.А. Шер, Л.В. Массель и др.
Существующие средства поддержки вычислительных экспериментов в исследованиях ЭБ (программные комплексы) традиционно решают задачу преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента эмпирически. Каждый такой программный комплекс предназначен для расчета фиксированной математической модели и обработки строго определенных структур и форматов данных. Это обстоятельство существенно затрудняет
Энергетическая безопасность. Термины и определения/ отв.ред. Н.И. Воропай. - М.:ИАЦ Энергия, 2005, 60 с.
внесение изменений в используемые математические модели и исходные данные, что требует участия специалиста-программиста в проведении вычислительных экспериментов в исследованиях ЭБ.
В настоящей работе предлагается унифицированный подход к решению задачи преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, основанный на применении методов системного анализа и дедуктивного синтеза программ.
В области системного анализа автор опирается на результаты исследований, полученные С. Л. Оптнером, С. Янгом, Ф.И. Перегудовым, Ф.П. Тарасенко, В.Н. Волковой, В.П. Голубковым и др. В области дедуктивного синтеза программ - на результаты, полученные А.П. Ершовым, С.С. Лавровым, С.Н. Васильевым и др. в СССР и России, а также на результаты, полученные 3. Манна, Р. Уолдингером, Ч. Ченем, Р. Ли и др. за рубежом.
Сущность исследования заключается в рассмотрении вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ в виде системы взаимосвязанных процессов преобразования данных. Применение методов системного анализа для решения задачи преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ позволило выделить типы процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ и унифицировать их выполнение. Для унификации этих процессов использованы методы дедуктивного синтеза программ.
Идея дедуктивного синтеза программ заключается в построении программы в ходе формального логического вывода теоремы её существования2 в некотором формальном исчислении. Применительно к задаче преобразования данных для вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ это означает представление процесса преобразования или контроля данных в виде логической формулы (теоремы), называемой декларативным представлением. В ходе формального логического вывода декларативного представления автоматически синтезируется программа, преобразующая (контролирующая) данные в соответствии с заданными требованиями. Такой подход позволяет решать задачу контроля и преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ автоматически, без привлечения специалиста-программиста.
Объектом исследования является информационная технология проведения вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики на примере исследований проблем ЭБ России и её регионов.
2 Термин «теорема» здесь и далее обозначает выводимую (доказуемую) формулу формального исчисления (см. напр. Ершов Ю.Л., Палютин Е.А. Математическая логика. - М: Наука, 1979. - 320 с.)
Предметом исследования являются процессы преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики.
Цель диссертационной работы — разработка методического подхода и средств интеллектного преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ, являющихся важной составляющей поддержки принятия решений в области управления развитием ТЭК России и ее регионов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Выполнить анализ существующих подходов и средств поддержки вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
Разработать методический подход к интеллектному преобразованию и контролю данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ на основе применения декларативных представлений процессов преобразования данных, в том числе:
методические принципы интеллектного преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ;
декларативные представления процессов преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, алгоритмы их построения и применения, а также исследование их свойств;
методику интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
3. Разработать научно-исследовательский прототип программного обеспе
чения для поддержки интеллектного преобразования данных в ходе вы
числительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ.
Методами исследования являются методы системного анализа, автоматического доказательства теорем и дедуктивного синтеза программ, а также методы объектно-ориентированного программирования.
Предложенный подход является интеллектным3 и позволяет решать задачи преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ автоматически, без привлечения специалиста-программиста.
Научную новизну составляют и на защиту выносятся:
3 Термин «интеллектный» обозначает подход, позволяющий достичь некоторого сходства с интеллектом, демонстрируемым человеком (см. напр. Васильев С.Н. и др. Интеллектное управление динамическими системами. - М: Физматлит, 2000. - 352 с.)
1. Впервые предложенный методический подход к интеллектному пре
образованию данных в ходе вычислительного эксперимента в исследо
ваниях ЭБ на основе применения декларативных представлений про
цессов преобразования данных, который включает:
Методические принципы интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, отличающиеся тем, что они основаны на использовании дедуктивного синтеза программ.
Разработанные впервые для задач исследований проблем ЭБ декларативные представления процессов преобразования и контроля данных, алгоритмы их построения и применения, а также их свойства.
Ранее отсутствовавшую методику интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
Схема взаимодействия и базовый состав компонентов программного обеспечения для интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ, отличающиеся тем, что они разработаны на основе предложенного методического подхода.
Основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ России и её регионов, отличающейся от существующей применением средств интеллектного контроля и преобразования данных.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследования применяются в исследованиях энергетической безопасности России и её регионов, проводимых в ИСЭМ СО РАН, в частности, в рамках двухуровневой интеллектуальной технологии исследований ЭБ.
Результаты работы применены также при выполнении:
проекта СО РАН № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений» (2007-2009);
проекта СО РАН №IV.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № IV.31.2.
«Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012);
проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2010);
проектов по грантам РФФИ №07-07-00265а и РГНФ №07-02-12112в (2007-2009), грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2012).
Достоверность и эффективность полученных результатов определяется достоверностью и эффективностью адекватно примененных современных научных методов. Достоверность результатов подтверждается строго доказанными свойствами декларативных представлений процессов преобразования и контроля данных.
Публикации. Содержание и результаты диссертационной работы отражены в девяти публикациях, в том числе в трех статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, научных семинарах и заседаниях: XIII, XIV XV и XVI Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); XII Международной конференции «Computer Science and Informational technologies» (Санкт-Петербург, 2010 г.); Российско-монгольской конференции молодых ученых (Иркутск - Ханх, 2011 г.); XI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск, 2010 г.); XL и XLI конференциях-конкурсах научной молодежи Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск, 2010-2011 гг.), на заседаниях секции «Прикладная математика и информатика» Ученого совета ИСЭМ СО РАН, семинарах отдела «Живучести и безопасности систем энергетики» ИСЭМ СО РАН.
Личный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, библиографии и трёх приложений. Общий объём диссертации - 146 страниц. Библиография включает 95 наименований.
