Содержание к диссертации
Введение 2
Предмет, цель и научная задача исследования
1.1. Предмет и цель исследования 8
1.2. Анализ и оценка существующих подходов к разработке архитектуры распределенных геоинформационных систем управления.
1.3. Выбор метода и определение особенностей экспертной оценки функционально -организационного содержания распределенных геоинформационных систем управления.
1.4. Постановка научной задачи исследования 32
Выводы 38
Разработка методики определения архитектуры распределенных геоинформационных систем управления.
2.1. Структура и содержание методики определения архитектуры распределенных
ГСУ.
2.2. Базовые геоинформационные технологии. 52
Цифровые модели рельефа и пространственные модели местности как инструмен
ты управления.
2.3 Анализ возможности использования существующих геоинформационных систем в ГСУ.
Выводы 65
Разработка методического аппарата поиска функционально - организационного содержания распределенных геоинформационных систем управления.
3.1. Структура, содержание и алгоритм работы методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ГСУ. 167
2. Обоснование целесообразности и оценка выигрыша априорного учета относительной компетентности экспертов.
3. Математическое описание методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ГСУ.
4. Постановка задачи вероятностной оценки параметров информационно-расчетного содержания ГСУ.
Выводы 99
Определение архитектуры, функционально - организационного содержания и разработка рекомендаций по эксплуатации и созданию ведомственной геоинформационной системы управления.
1. Определение архитектуры ГСУ. 103
2. Определение функционально - организационного содержания ГСУ.
3. Разработка рекомендаций по эксплуатации и созданию ГСУ.
Выводы 153
Заключение 154
Список использованной литературы 160
Содержание 166
Приложение 1. Исходный перечень комплексов информационно-расчетных задач.
Приложение 2. Исходный перечень и ну- 170
мерация информационно-расчетных задач для работы первого этапа методического аппарата.
Приложение 3. Оценка оперативной важности комплексов задач (Анкета № 1).
Приложение 4. Оценка принадлежности 174
задачи к соответствующему комплексу и ее внутрикомплексной оперативной важности (Анкета № 2).
Приложение 5. Исходный (упорядоченный) перечень и индексация информационно-расчетных задач для работы второго этапа методического аппарата.
Приложение 6. Оценка связности информационно-расчетных задач по исходным данным и результатам решения (Анкета №3).
Приложение 7. Акты о реализации результатов работы
Введение к работе
Актуальность темы
Современный этап развития общества характеризуется ужесточением требований к достоверности и оперативности управленческих решений, принимаемых должностными лицами министерств, ведомств, крупных государственных и корпоративных структур (далее - ведомства). Ключевой особенностью такого управления является функционирование управляющих систем в условиях неполноты и неточности фактурной и процедурной информации.
Особенно актуальным этот вопрос является для ведомств повышенной ответственности, где ошибки управления могут привести к возникновению особых, специальных, нештатных ситуаций (не обязательно чрезвычайных), где управляющие воздействия вырабатываются на основе обработки больших массивов информации, в жестких временных рамках и сложных условиях (МЧС России, Пограничные войска ФСБ России, Минобороны России, МВД России). В данных ведомствах разработаны и реализуются специальные программы по автоматизации процессов управления, например, программа «Государственная граница Российской Федерации», предусматривающая повышение уровня автоматизации Пограничных войск ФСБ России.
Автоматизированные расчетно-информационные системы рассматриваемых ведомств имеют ряд особенностей по сравнению с аналогичными системами других ведомств, что обусловлено, в первую очередь, использованием для управления единого 1, постоянно обновляемого2, гибкого к изменениям внешней среды и управляемо-гоЗ геопространства. Свое влияние на процесс выработки управляющих воздействий этот фактор оказывает посредством привлечения к управлению количественно - качественных результатов решения множества информационно-расчетных задач (ИРЗ) и выводов из анализа текущей и прогнозируемой геоинформационной обстановки.
Данные распределенные автоматизированные расчетно-информационные системы управления ведомствами повышенной ответственности являются областью исследования диссертационной работы. В дальнейшем такие системы будем называть геоинформационными системами управления (ГСУ). Распределенные геоинформационные системы управления - это информационно - расчетные системы, у которых рабочей средой являются геоинформационные технологии, а выходные результаты, обеспечивающие выработку управляющих воздействий, представляются как в виде непосредственных геопространственных данных, так и в виде картографической и расчетной информации, полученной после их обработки.
Геоинформационные технологии являются геоинформационным инструментарием ГСУ. В настоящее время эти технологии объединены в так называемые геоинформационные системы (ГИС), которые решают задачи сбора, генерации, хранения, предварительной обработки, поиска, передачи, представления и воспроизведения геоинформации [78], [79].
ГСУ можно характеризовать совокупностью двух ее составляющих (двух характеристик): архитектура (структура и состав) и функциональное содержание. Первая характеристика адекватна ведомственной идеологии автоматизации и определяется перечнем автоматизируемых звеньев управления и территориальных подразделений ведомства, а также степенью их автоматизации; вторая характеристика - множество информационных и расчетных задач управления (ИРЗ), их комплексирование, важность для пользователя, особенности и порядок решения и представления выходных данных.
По результатам анализа этих двух характеристик ГСУ можно достаточно обоснованно принимать решение о целесообразности ее создания и развертывания. Однако, даже в случае положительного ответа на данный вопрос, приступать к непосредственной разработке системы было бы преждевременным, так как вывод о целесообразности ее создания не подкреплен уверенностью в возможности практической реализации функционального содержания в разумных стоимостных и временных ограничениях. Отсутствуют ответы на вопросы:
- о выборе наиболее эффективной организации и параметров процесса разработки ИРЗ. В зависимости от количественно-качественного состава привлекаемого коллектива специалистов может быть выбран последовательный, параллельно - последовательный или параллельный методы работы по автоматизации отдельных подмножеств задач и задач внутри каждого подмножества;
- о порядке разработки ИРЗ, обеспечивающей минимум возможных корректировок при использовании выходных и промежуточных результатов решения одних задач задачами - потребителями этих данных.
Иными словами неясно организационное содержание ГСУ, то есть оптимальная организация работы по автоматизации функционального содержания системы.
Можно констатировать, что в отличие от функционального содержания, которое определяет перечень и важность задач управления при эксплуатации ГСУ, особенности видов обеспечения и служит основой для разработки нормативно-директивных документов по се целевому использованию, организационное содержание определяет организацию и характеристики процесса создания системы.
Создание ГСУ, являющихся содержанием области исследования диссертационной работы, требует разработки новых инструментов (новых методов и алгоритмов) определения этих характеристик системы.
Отсюда, предмет исследования диссертационной работы формулируется следующим образом: методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально — организационного содержания распределенных автоматизированных геоинформационных систем управления. Исследования по их разработке осуществляются в научно - методической среде теории системного анализа, оптимизации, управления, принятия решения и обработки информации, а также методов и алгоритмов получения, анализа и обработки экспертной информации.
Степень разработанности темы
Методы проектирования АСУ, еще недавно широко распространенные в инженерной практике, сводились, по существу, к двум обобщениям: прецедентному методу, основанному на использовании уже апробированных решений для автоматизации своего ведомства, и методу проектирования, предусматривающему автоматизацию сложившейся последовательности действий ведомственных органов управлення в неавтоматизированном режиме. Однако данные методы, с одной стороны, не могут в полной мере учесть специфику работы ведомства в автоматизированном режиме, и, с другой стороны, не используют возможности, которые предоставляют методы проектирования с более глубокой научной проработкой.
Основные принципы создания автоматизированных систем управления, не потерявшие актуальность и в наше время, были сформулированы более 30 лет назад. Среди наиболее употребительных и методологически полно проработанных подходов к проектированию, разработанных на основе данных принципов, можно выделить системный, объектно - ориентированный и концептуальный подходы. Сравнительный анализ названных подходов показал, что наиболее приемлемым для целей проектирования ведомственных ГСУ является объектно — ориентированный подход, а эффективными методами его реализации: в части определения архитектуры системы -метод анализа иерархий; в части определения функционально - организационного содержания системы - экспертный метод с организацией экспертного опроса по способу Дельфи.
Рассмотрению методов и алгоритмов определения архитектуры АСУ посвящено достаточно много теоретических исследований, например, таких как [2] - [7], [24] -[29], [35], [36], [38], [39], [46]. Большинство этих работ носят общетеоретический характер, анализируют и рассматривают преимущественно методологические основы различных подходов к проектированию. В лучшую сторону, с точки зрения возможности практического использования для проектирования архитектуры ГСУ, можно отметить работы [7], [46]. Однако и у этих авторов основное внимание уделено обобщенным иерархическим схемам целей, обеспечивающих решение крупных хозяйственных проблем типа «обеспечение энергетической безопасности страны», «планирование роста народонаселения» и т. п. Рассмотрение же вопросов поиска архитектур ведомственных автоматизированных систем отсутствует и здесь.
В основе методов и алгоритмов определения функционально - организационного содержания ГСУ лежит методология экспертного опроса, изложенная во многих источниках, например, в [8] - [10], [48] - [55]. В них рассмотрены подходы к организации экспертизы, методы опроса для различных условий их проведения, методы оценки экспертных мнений. Однако необходимость оценки организационного содержания ГСУ как логического продолжения результатов оценки ее функционального содержания требует разработки и реализации новых подходов и новых методик оценки.
Цель и задачи исследования
Как известно [1], причинно-следственная связь предмета исследования и цели исследования выражается в определенном корреляционном соответствии между ними, поэтому наиболее логично цель исследования сформулировать следующим образом: создание методического аппарата разработки распределенных автоматизированных геоинформационных систем управления, обеспечивающего повышение степени формализации и унификации данного процесса.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих основных задач:
1. Исследование целесообразности применения иерархического метода анализа сложных систем для достижения цели работы.
2. Анализ и выбор методов экспертного анализа, обеспечивающих достижение цели исследования. 3. Анализ отечественных и зарубежных геоииформационных систем, определение целесообразности их использования, роли и места в составе ГСУ.
4. Обоснование показателей, критериев и нового подхода к определению квалификационных рангов экспертов.
5. Обоснование показателей функционального и организационного потенциалов автоматизируемых задач.
6. Разработка методического аппарата, методик и алгоритмов определения архитектуры и функционально-организационного содержания ГСУ.
7. Апробация полученных результатов на примере разработки конкретной ГСУ.
Результаты, выносимые на защиту
1. Методика определения архитектуры ведомственных ГСУ, обеспечивающие повышение научной обоснованности и степени формализации процесса их создания.
2. Методический аппарат определения функционально - организационного содержания ГСУ, объединяющий процессы поиска этих составляющих в единую логическую последовательность отдельных методик и алгоритмов при обеспечении доминирующей роли первой из них.
3. Новый подход и индивидуально-групповой показатель оценки компетентности экспертов, позволяющий повысить обоснованность процесса формирования экспертной группы, а также обеспечить увеличение скорости сходимости экспертного процесса и точности групповой оценки индивидуальных мнений.
4. Показатели функционального потенциала ИРЗ, служащие регулятором видов обеспечения и организующим элементом формирования нормативно-справочной базы процесса эксплуатации ГСУ.
5. Показатели организационного потенциала, донорской и клиентской характеристик ИРЗ, определяющие параметры процесса их разработки.
6. Результаты практической апробации методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально-организационного содержания конкретной ГСУ.
Научная новизна результатов
В результате выполнения диссертационной работы были разработаны методические и практические основы определения архитектуры и функционально - организационного содержания ГСУ, а именно:
1. Методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально организационного содержания ГСУ, нашедшие свое практическое воплощение в виде:
1.1. Методики определения архитектуры ведомственных ГСУ, отличающейся от известных практической реализацией принципов объектно-ориентированного проектирования методом анализа иерархий;
1.2. Методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ведомственных ГСУ и последующего определения на этой основе параметров эксплуатации, а также характеристик процесса организации разработки задач.
2. Новый индивидуально-групповой показатель компетентности экспертов, учитывающий априорную информацию о количественно - качественном составе экспертной группы.
3. Новый показатель функционального потенциала информационно - расчетных задач.
4. Новый показатель организационного потенциала информационно - расчетных задач.
Предложенные показатели компетентности экспертов, функционального и организационного потенциалов ИРЗ служат определяющей основой методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ГСУ.
Практическая ценность и внедрение результатов
Решение в диссертационной работе вышеуказанных задач позволит практически осуществить:
1. Повышение обоснованности определения целесообразности создания и параметров разрабатываемых ГСУ за счет совместного, в едином технологическом цикле рассмотрения вопросов поиска архитектуры, функционального и организационного содержания системы.
2. Формализацию учета индивидуальных особенностей ведомственных ГСУ в целом и их структурных подразделений при разработке технической документации на создание системы.
3. Повышение эффективности разработки и эксплуатации ГСУ, подготовки директивных, нормативных и других руководящих документов, регламентирующих данные процессы.
4. Исключение іехнологических задержек при переходе к непосредственной разработке ГСУ после принятия решения на ее создание.
Практическая ценность разработанных методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально-организационного содержания ГСУ подтверждается внедрением полученных результатов в следующие проекты и организации:
- в Министерство промышленности и энергетики Российской Федерации, государственный контракт № 6410.0810000.06.096 от Іноября 2006 г. па выполнение ОКР «Разработка отечественной технологии комплексной обработки геоинформации для электронных систем двух и трехмерного отображения обстановки и местности». Головной исполнитель - Институт проблем информатики РАН;
- в Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИ-ГАиК) - при разработке курса лекций по специальности «Информационные системы» и при выполнении НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 годы)»;
- в заказывающую организацию одной из силовых структур (войсковая часть 34434) при разработке специализированной ГСУ.
Практическая значимость и внедрение полученных автором результатов подтверждены соответствующими документами.
Апробация работы и публикации
Апробация разработанных методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально - организационного содержания распределенной ГСУ была проведена в ходе разработки такой системы для районного звена управления конкретного ведомства повышенной ответственности, выполняющего свои функции в сложных условиях горной местности. Полученные результаты для условных исходных данных были одобрены соответствующими руководящими структурами, а предложенный методический аппарат явился развитием ведомственного комплекса математических моделей и алгоритмов. Основные положения, представленные в диссертации, регулярно докладывались и обсуждались на научных мероприятиях различного уровня. В том числе на:
- 4-ой Международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах, Italy, Catania, May 27 - June 03, 2006.
- Х-ом научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», секция «Проектирование систем», Московский госу дарственный институт электроники и математики (Технический университет), 2007.
- 5-ой Международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах. Mallorca, Spain - May 31 - June 07, 2007.
- ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2006-2007 гг.
Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 12 публикациях: в научно-технических журналах, в том числе и в журналах ВАК; трудах конференций, а также в научно-техническом отчете по госбюджетной теме.
Структура и краткое содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, перечня литературы (81 наименование) и семи приложений, включающих исходные данные и промежуточные результаты апробации разработанных методов и алгоритмов; акты о внедрении результатов работы.
Первая глава диссертации посвящена анализу существующего научно-методического аппарата создания распределенных автоматизированных систем управления, оценена возможность его использования для целей разработки ГСУ, выбраны и обоснованы методы и намечены пути их адаптации для достижения цели диссертационной работы. На основе полученных результатов определяются и обосновываются область, предмет и цель исследования. Осуществляется постановка научной задачи исследования.
Во второй главе диссертации, как результат выводов первой главы, разрабатывается методика определения архитектуры ГСУ.
В качестве ядра автоматизированной системы представляется перечень базовых геоинформационных технологий с подробным описанием основных геопродуктов: цифровой модели рельефа и пространственной модели местности. Предлагаются дополнения и уточнения существующих положений геоинформационных стандартов, которые необходимо учесть при создании ГСУ повышенной ответственности. Анализируются возможности существующих ГИС и оценивается целесообразность их использования в ГСУ.
В третьей главе диссертации разрабатывается методический аппарат поиска функционально - организационного содержания ГСУ. Выбирается и обосновывается структура и содержание, предлагаются новые показатели и доказывается правомочность и эффективность нового, индивидуально-группового подхода к оценке компетентности экспертов, описывается работа и математическое наполнение данного методического аппарата.
Четвертая глава диссертации посвящена апробации предложенных методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально - организационного содержания ГСУ на примере конкретного ведомства. Определяются условия проведения исследований, архитектура и функционально - организационное наполнение ГСУ, предлагаются практические рекомендации для процессов эксплуатации и создания системы.
Практическая значимость и внедрение результатов, полученных автором в диссертационной работе, подтверждены соответствующими документами.
Основные положения и результаты диссертационного исследования изложены в [15], [16], [17], [19], [21], [22], [60], [61], [62], [63], [77], [80], [81].
