Фридман А.Я., Олейник А.Г., Матвеев П.И.,
Институт информатики КНЦ РАМ, г. Апатиты
СИТУАЦИОННЫЕ СППР МУНИЦИПАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ
(http://ocic.obninsk.org/konfer/99/doc99_12.html)
Обзор публикаций по проблемам информационных систем поддержки принятия решений (СППР) в области муниципального управления показывает, что в настоящее время использование средств ГИ технологий в этой сфере ограничивается в основном созданием справочно-поисковых систем [1-4]. Задача создания полнофункциональных систем, поддерживающих все основные этапы принятия решений — от сбора и хранения исходной информации до представления обоснованного варианта возможного решения - остается актуальной.
Любой город с точки зрения теории управления является сложной нестационарной пространственной системой. Для объектов такого рода характерны две основные особенности: зависимость параметров составных частей объекта от их пространственного расположения и изменчивость этих параметров во времени. Исследование таких объектов с достаточной для получения практически значимых результатов многосторонностью с учетом того, что экспериментальные воздействия на них по различным причинам (ограниченные временные рамки, опасность необратимых изменений, высокая стоимость экспериментов и др.) обычно невозможны или нежелательны, возможно выполнить практически только методами моделирования. При этом должны учитываться разнообразные финансовые, материальные, энергетические потоки, необходимо предусматривать анализ последствий изменения структуры объекта, возможных критических ситуаций и т.п.
Модели и информационные системы, обеспечивающие поддержку принятия решений по муниципальному управлению, целесообразно строить иерархическими, аналогично организационной структуре процесса управления городом. На нижнем уровне иерархии модели описывают реальные процессы или объекты с их конкретными детализированными характеристиками и параметрами. Модель каждого следующего уровня иерархии описывает некоторую систему, образованную группами объектов нижнего уровня.
Недостатками ГИС как среды для исследования состояния нестационарного пространственного объекта являются неприспособленность к поддержке иерархических моделей, работе с временными рядами и учету взаимозависимостей (взаимодействий) между составными частями объекта. Гибкий аппарат сопровождения иерархических моделей предоставляет система концептуального моделирования [5]. Важным достоинством данной системы с точки зрения создания комплексных СППР муниципального управления является возможность синтеза концептуальной модели (КМ) сложного объекта на основе КМ его подобъектов. Эта возможность позволяет поэтапно и относительно независимо разрабатывать, создавать и использовать концептуальные модели различных муниципальных подсистем, совмещая процесс наращивания и развития общей КМ муниципального управления с процессом прикладного использования имеющихся фрагментов. Концептуальные модели носят
декларативный характер — они описывают в терминах предметной области структуру и основные связи элементов объекта управления, а также отношения между ними, существенные для принятия решений. Объединение возможностей ГИС с возможностями системы концептуального моделирования обеспечивает новый качественный уровень информационных СППР.От систем муниципального управления требуется оперативная реакция на самые разнообразные события, затрагивающие различные участки городского хозяйства. Для формализации постановки задачи, требующей принятия решения, предлагается использовать понятие ситуации, являющееся центральным понятием в рамках интенсивно развивающегося в последнее время ситуационного подхода к моделированию и управлению сложными объектами. В нем ситуация рассматривается как временной срез траектории изменения характеристик объекта в некотором абстрактном многомерном пространстве [6]. В работе [7] предложено применить принципы ситуационного управления в системе концептуального моделирования нестационарных пространственных объектов. Рассмотрим возможности построения СППР по муниципальному управлению на основе описанных выше средств.
Геоинформационное представление любого объекта состоит из комплекта условных слоев (покрытий), на каждом из которых в виде графических элементов из стандартного набора (точек, линий и полигонов) [8] отображаются те или иные составные части объекта. Геоинформационная модель территории города (объекта управления) это его цифровая электронная карта (ЭК). Информация сгруппирована и разнесена по слоям с учетом топологии и классификации объектов покрытия.
Рис. 1. Фрагмент цифровой ЭК карты одного из микрорайонов г. Апатиты.
Примером может служить фрагмент ЭК одного из микрорайонов г. Апатиты (Рис. 1) где показаны следующие слои:
Набор слоев полностью соответствует информации вынесенной на топографический план масштаба 1:500, составленный по результатам комплексных инженерно-геодезических изысканий, выполненных для эскизного проекта пристройки к основному зданию. Данный масштаб карт является основным при составлении цифровых ЭК городской застройки.
Решающим аргументом в пользу выбора ГИС в качестве среды для моделирования является тот факт, что в ГИС изображение не хранится целиком, а строится перед выводом на экран из стандартных элементов по значениям их графических атрибутов, хранящимся в базе данных (БД) ГИС. С каждым графическим элементом можно связать дополнительные поля БД, доступные для модификации внешними вычислительными модулями, в отличие от графических атрибутов. В частности, эти поля можно использовать для хранения атрибутов концептуальной модели, относящихся к данному элементу, и других параметров, необходимых для организации работы СППР.
В принципе, для ГИС безразлична семантика элементов, отображаемых тем или иным видом графических элементов. На одном покрытии в различных цветах полигонами могут отображаться, например, и поля, и озера. Однако в целях упрощения дальнейшей формализации предполагается, что в каждом покрытии элементами одного графического вида отображаются функционально однотипные составные части объекта. Сделанное предположение увеличивает количество покрытий, из которых строится модель объекта, но позволяет автоматически, с помощью встроенных средств ГИС, реализовать принципиальное для последующего рассмотрения свойство модели: в каждом покрытии отображается пространственное разбиение (в смысле теории множеств) некоторой характеристики объекта. Кроме того, однотипность элементов каждого покрытия облегчает контроль корректности концептуальной модели и формирование приоритетов альтернативных вариантов.
С точки зрения назначения СППР целью моделирования является сопоставление эффективности допустимых альтернатив для решения той или иной задачи, поэтому необходимо ввести в модель параметры, определяющие сравнение элементов модели между собой. В пределах одного покрытия, по принятому предположению, набор входных и выходных параметров всех графических элементов одного вида одинаков, поэтому для их оценки можно использовать одну весовую функцию, которая в общем случае зависит как от графических атрибутов элемента, так и от связанных с ним дополнительных атрибутов. Без ограничения общности можно принять, что весовая функция определена на интервале [0, 1], причем нулевому значению соответствует отсутствие влияния данного элемента на решение рассматриваемой задачи. Весовая функция позволяет оценить вклад того или иного элемента в решение задачи и служит для вычисления сравнительных приоритетов альтернативных вариантов, их вклада в критерий, на основе которого должно приниматься решение.
Концептуальна модель объекта управления представляет собой двудольный древовидный граф. Нижний уровень декомпозиции в КМ — уровень примитивов — задает структурно неделимые компоненты модели, которые в реальности могут соответствовать достаточно сложным составным частям объекта управления. На более высоких уровнях КМ конъюнктивно (дизъюнктивно) связаны логически последовательные (параллельные) подзадачи. Параллельными считаются задачи обработки данных, которые в каждом цикле расчетов инициируются независимо друг от друга, в противном случае они рассматриваются как логически последовательные. Последние могут быть интерпретированы как макропроцедуры, моделируемые в общем случае ориентированным графом без циклов, управляемых от внешних по отношению к макропроцедуре условий. Внутренние циклы, в частности, оптимизационные процедуры, если без них решение задачи невозможно, должны выноситься на уровень примитивов.
В СППР каждый примитив концептуальной модели, роль которого в управляемой системе зависит от его пространственного расположения, отображается набором графических элементов на одном или нескольких покрытиях карты. Поэтому к его основным атрибутам в КМ добавляются имена покрытий и идентификаторы графических элементов. Эти атрибуты относятся к категории исполнителей объектов КМ. Отображения объектов КМ более высоких уровней синтезируются из отображений примитивов по очевидным правилам.
Управление объектом в рассматриваемой постановке трансформируется в выбор одного из возможных вариантов структуры объекта на каждом шаге или такте моделирования. Исходные данные для принятия решения задаются руководителем (лицом, принимающим решения — ЛПР) на КМ объекта в
форме некоторой ситуации, интересующей его в данный момент. Последовательность рассматриваемых ситуаций образует сценарий функционирования или развития управляемой системы. В общем случае ситуация описывается тремя основными компонентами, это знания о текущей структуре объекта, знания о текущем состоянии системы управления и знания о технологии (стратегиях) управления. Таким образом, каждая ситуация описывается набором элементов КМ, характеризующих перечисленные компоненты. С помощью подсистемы доопределения и классификации ситуаций СППР ставит в соответствие требуемой задаче определенный фрагмент КМ, полностью содержащий (покрывающий) исследуемую ситуацию. При решении данной задачи используются алгоритмы автоматизированного выбора (доопределения) покрывающего фрагмента КМ по заданному подмножеству его исходных и целевых узлов [5, 9]. При наличии в КМ альтернативных (параллельных) вариантов, для которых невозможно реализовать полностью формализованный выбор, доопределение покрывающего фрагмента может осуществляться после запроса к экспертной системе [10] (если она входит в состав СППР) или непосредственного запроса к ЛПР о дополнительной информации по тем или иным аспектам (параметрам) ситуации. Затем из соответствующих баз данных СППР осуществляется выбор необходимых данных об объектах, входящих в выбранный фрагмент, их атрибутов и характеристик. В результате синтезируется геоинформационная (ГИ) модель анализируемой ситуации, в которой запись каждого элемента покрытий, относящихся к объекту, дополняется актуальными для ситуации значениями его параметров и характеристик. На полученной модели может быть проведена серия вычислительных экспериментов (ВЭ), причем в ходе этих экспериментов модель может итерационно модифицироваться, уточняться и дополняться. Средства работы с КМ позволяют провести автоматизированный синтез среды реализации ВЭ, совместно использовать аналитические и логические методы решения поставленных задач [5, 9]. После завершения работы с моделью ситуации некоторые результаты могут быть занесены в БД исходной информации, сама же модель как правило не сохраняется. Структура жизненного цикла ГИ модели ситуации, синтезируемой в ситуационной СППР на основе КМ объекта управления, представлена на рисунке 2.Рис. 2. Жизненный цикл ГИ модели ситуации.
На рисунке 3 приведена блок-схема традиционной системы ситуационного управления. Основой управления здесь является семиотическая (знаковая) модель, строящаяся в виде сети, где узлами являются внутренне непротиворечивые формальные модели, а переходы между узлами задаются правилами преобразования параметров формальных моделей — корреляционными или логико-трансформационными правилами (ЛТП). Построение семиотической модели осуществляется на языке ситуационного управления, представляющем собой достаточно сложное по структуре подмножество естественного языка.
Рис. 3. Структура системы ситуационного управления
Здесь Анализатор по описанию текущей ситуации принимает решение о необходимости (или отсутствии таковой) применения какого-либо управления.
Если управление необходимо, в действие вступает Классификатор, который должен отнести текущую ситуацию к одному или нескольким классам, соответствующим некоторому одношаговому управлению. Решение Классификатора передается Коррелятору, где хранятся все ЛТП. Если Коррелятору удается выбрать единственное ЛТП, то на объект выдается связанное с этим правилом управление; в противном случае подключается Экстраполятор, предназначенный для выбора управления путем экстраполяции и сравнения последствий всех альтернативных воздействий. Когда не удается выбрать предпочтительное управление и таким путем, воздействие реализуется в результате случайного выбора.
На наш взгляд, коренными причинами сложностей в реализации метода ситуационного управления с помощью вычислительных систем широкого применения являются попытки использования естественного языка как основы для внутреннего представления знаний в семиотических моделях, а также поиски средств формализации для пространств состояния произвольной структуры, не имеющих собственной метрики. В рамках описанного выше иерархического концептуального подхода эти проблемы находят конструктивное решение.
Задача Анализатора текущей ситуации (см. рисунок 3) в ситуационной СППР превращается в задачу оценки предшествующего управления с целью принятия решения об изменении структуры объекта. Эта задача решается путем анализа временных рядов значений переменных, хранящихся в базах данных системы. Функция Классификатора заключается в сужении класса допустимых на текущем шаге воздействий. Сопоставление вариантов предлагается производить с помощью метода анализа иерархий [11], вычисляя на базе упомянутых выше весовых функций приоритеты заложенных в КМ вариантов структуры объекта. Это позволяет исключить необходимость реализации сложных алгоритмов оценки состояния объектов переменной структуры. В результате отбирается один или несколько вариантов структуры объекта, чьи векторы приоритетов доминируют векторы приоритетов других вариантов в смысле принятого критерия. Функции Экстраполятора в ситуационной СППР выполняет эксперт: если Классификатором отобрано несколько вариантов структуры, для каждого из них производится имитация очередного такта моделирования, результаты сохраняются как временные данные (версии расчета). Эти результаты анализируются экспертом, отбирается окончательный вариант, его характеристики переписываются в базы хранения постоянных данных. В принципе алгоритм Экстраполятора в ситуационной СППР также может быть автоматизирован, например, на базе разработанной оболочки экспертной системы [9], но этот вопрос требует самостоятельного рассмотрения.
Предложенный подход к моделированию состояния пространственных объектов позволяет естественным образом поддерживать современный сценарный метод поддержки принятия решений. Для этого с помощью встроенных в ситуационную СППР средств формируются ряды исходных данных для расчетов на будущие интервалы времени и производится моделирование состояния объекта для этих интервалов. Имеется возможность отдельно исследовать каждый из описанных в КМ вариантов структуры объекта, помечая соответствующий ему фрагмент концептуальной модели [5] и отключая Анализатор ситуации. Предусмотрена возможность отказа от любого последнего интервала времени с целью исследования альтернативной траектории объекта.
Главной задачей муниципального управления является обеспечение устойчивого существования города. Устойчивой считается открытая система, которая находится в состоянии динамического равновесия. При построении КМ города, как объекта управления, можно выделить следующие подсистемы [12]: демографическая; экологическая; экономическая; инфраструктура; жилье; земельные ресурсы; управления городом. Все названные подсистемы имеют развитые взаимосвязи, которые должны быть учтены на соответствующих уровнях КМ города. Наиболее формализованной, а, следовательно, и наиболее пригодной для оснащения ее автоматизированной СППР, является подсистема городской инженерной инфраструктуры.
На рисунке 4 представлен фрагмент декомпозиция подсистемы инженерной инфраструктуры города, соответствующий некоторому уровню КМ.
Рис. 4. Фрагмент декомпозиции инженерной инфраструктуры микрорайона города.
На рисунке 5 показано, какими стандартными элементами ЭК в ГИ модели представляются объекты КМ энергоснабжения.
Рис. 5. Соответствие между объектами КМ и стандартными элементами ЭК (для задачи энергоснабжения).
Определение граничных параметров устойчивого состояния городской инфраструктуры при изменяющихся условиях эксплуатации или возникновении чрезвычайных ситуаций, оперативная выработка обоснованных управляющих воздействий на основе анализа некоторого множества возможных сценариев решения возникающих проблем может быть осуществлено только с использованием методов моделирования и проведения ВЭ. Предложенный в работе вариант построения ситуационной СППР муниципального управления
на основе комплексного использования технологии концептуального моделирования и ГИ технологий является одним из путей решения указанной проблемы.ЛИТЕРАТУРА
1. Геоинформационные технологии. Управление. Природопользование. Бизнес. // Материалы Всеросс. Форума ГИС-94. Москва 6-11 июнь 1994. -82 с.
2. Муниципальные геоинформационные системы // Материалы конференции МГИС-96, Обнинск 29-4 февраль 1996. Изд-во: ОГИЦ. -72 с.
3. Муниципальные геоинформационные системы // Материалы конференции МГИС-98, Обнинск 26-30 январь 1998. Изд-во: ОГИЦ. -122 с.
4. Хаксхольд В.Е. Введение в городские географические информационные системы. 1991, Изд. Оксфордского университета, Пер. с англ., Изд-во АГИТ. 1996, 325 с.
5. Олейник А.Г., Олейник О.В., Фридман А.Я. Иерархические концептуальные модели в исследованиях нестационарных пространственных объектов //Интеллектуальные инструментальные средства вычислительного эксперимента. -Апатиты, изд-во КНЦ РАН, 1997. -С.6-16.
6. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. - М: Наука, 1986. -288 с.
7. Фридман А.Я. Ситуационный подход к моделированию состояния пространственного объекта // Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты: КНЦ РАН, 1998.-С.45-49.
8. Тикунов В.С. Геоинформационные системы - что это такое? // ГИС-обозрение, весна 1994. -С.8-9.
9. Олейник А.Г., Смагин А.В. Инструментальные средства предварительного анализа сценариев // Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты: КНЦ РАН, 1998.-С.74 -79.
10. А.Г. Олейник, О.В. Олейник, А.Я. Фридман. Оболочка экспертной системы диагностики состояния нестационарных пространственных //Интеллектуальные инструментальные средства вычислительного эксперимента. -Апатиты, изд-во КНЦ РАН, 1997. -С.17-25.
11. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. - М.: Радио и связь, 1993. -320 с.
12. Вайнштейн Е.А., Путилов В.А., Пушилин В.В. Концептуальные основы динамического моделирования устойчивого развития городов Севера России // Системы информационной поддержки регионального развития. -Апатиты, 1998. -С.6-16.