Введение к работе
Актуальность работы определяется в первую очередь актуальностью исследований теплосиловых систем, обеспечивающих производство электрической и тепловой энергии, которая, в свою очередь, обусловлена проблемой повышения эффективности функционирования действующих и разработки новых теплоэнергетических установок (ТЭУ) и тепловых электрических станций (ТЭС). В силу того, что современные ТЭУ и ТЭС являются техническими системами, обладающими многочисленным элементным составом, и представляются сложными технологическими схемами, основными инструментами их исследования являются методы математического моделирования теплоэнергетических объектов и вычислительный эксперимент.
Для поддержки вычислительного эксперимента разрабатываются и используются сложные программные комплексы (ПК). При их разработке знания о предметной области не фиксируются в явном виде и сохраняются преимущественно в головах экспертов и разработчиков ПК. Это усложняет освоение ПК новыми пользователями и начинающими исследователями и создает проблему отчуждаемости ПК от разработчиков.
В работе предлагается, одновременно с разработкой ПК, поддерживающего вычислительный эксперимент в предметной области, представлять знания об этой предметной области в виде онтологии и обеспечивать их совместное использование посредством интеграции в рамках ИТ-инфраструктуры исследований энергетики'.
Очевидно, что для этого необходимо создание программного обеспечения (ПО) нового поколения, которое, с одной стороны, будет обеспечивать поддержку ранее созданных программных модулей, а с другой - создаст возможность переноса ПК на другие платформы, необходимого обновления и измене-
1 Имеется в виду ИТ-инфраструктура. разработанная в ИСЭМ СО РАН, базирующаяся на современных информационных технологиях (ИТ) и включающая информационную, вычислительную и телекоммуникационную инфраструктуры
ния алгоритмов и интерфейсов с учетом решаемых задач и потребностей пользователей.
В настоящее время получила распространение новая концепция разработки программ - MDD (Model Driven Development - разработка, управляемая моделями) И. вариант ее реализации - MDA (Model Driven Architecture - архитектура, управляемая моделью, или модельно-управляемая архитектура), предполагающая разработку архитектуры программного комплекса, ориентированную на предметную область и не зависящую от конкретной платформы программирования. Развитием данной концепции является подход к разработке ПО, предлагаемый консорциумом W3C (World Wide Web Consortium) для разработки, в частности, серверных приложений и называемый архитектурой, управляемой онтологией - ODA (Ontology Driven Architecture). Представляется актуальным использование данной концепции для построения программного обеспечения исследований в энергетике.
Одним из актуальных научных направлений является интеграция информационных ресурсов, в том числе программного обеспечения, в единое информационное пространство. Работами по созданию единого научного информационного пространства занимаются сотрудники ВЦ РАН под руководством Серебрякова В.А., Бездушного А.Н. и др. В Сибирском Отделении РАИ работы в этом направлении ведутся в Институте вычислительных технологий под руководством академика Шокина Ю.И.
В ИСЭМ СО РАН сотрудниками лаборатории информационных технологий под руководством Л.В. Массель разработана ИТ-инфраструктура для поддержки исследований в энергетике, позволяющая хранить описания имеющихся ресурсов и обеспечивать доступ к данным и приложениям для проведения вычислительных экспериментов.
Для решения проблемы формализации знаний одним из перспективных направлений является онтологический подход. Исследованиям в области разработки и использования онтологии посвящены работы Т. Грубера (Gruber Т), Н. Гуарино (Guarino N.), в нашей стране - Гавриловой Т.А., Калиниченко Л.А.,
Когаловского М.Р., Серебрякова В.А., Тузовского В.Ф., Ямпольского В.З. и других. Представляется целесообразным использование этого подхода для представления знаний предметных областей энергетики и их последующей интеграции в ИТ-инфраструктуру.
Таким образом, актуальность данной работы определяется следующими факторами:
Важностью проблемы исследования функционирования и развития теплоснабжающих систем, и, соответственно, необходимостью создания современных программных средств для проведения этих исследований с использованием математического Моделирования теплоэнергетических объектов.
Необходимостью создания унифицированных описаний программных комплексов и знаний предметных областей в виде онтологии, как интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры исследований энергетики.
Целесообразностью использования для разработки ПО исследований энергетики новых технологий программирования, основанных на концепции мо-дельно-управляемой архитектуры (MDA), в частности, архитектуры, управляемойонтологией (ODA).
Объектом исследования в данной работе является технология моделирования и исследования объектов энергетики.
Предмет исследования - современные методы и средства информационного моделирования, разработки программных комплексов для исследований энергетики и построения формализованных описаний знаний. ;
Цель работы - разработка методических основ построения современных программных комплексов для исследований теплоэнергетических систем, использующих знания о предметной области в виде онтологии.
Достижение этой цели предполагает решение следующих задач:
Анализ современных подходов к моделированию и разработке современных программных комплексов.
Анализ современного состояния в области построения и использования онтологии.
Анализ предметной области и исследование возможности использования онтологии для построения ПК.
Разработка онтологии предметной области.
Разработка методического подхода к проектированию ПК с модельно-управляемой архитектурой на основе онтологии предметной области.
Разработка метаонтологии для формализованного описания совокупности решаемых задач, используемых методов и структуры предметной области -исследуемых теплоэнергетических объектов.
Разработка и программная реализация ПК с архитектурой, управляемой онтологией для исследования теплоэнергетических систем.
Методами и средствами исследования являются: методы объектно-ориентированного анализа, информационного моделирования, системного и прикладного программирования.
Новизну составляют и на зашиту выносятся следующие положения:
Впервые для исследований энергетики предлагается интегрировать формализованные знания о предметной области и инструментальные программные средства в рамках ПК с архитектурой, управляемой онтологией (ODA).
Предложен и разработан методический подход к построению ПК с архитектурой, управляемой онтологией, который включает:
методику построения онтологии предметных областей энергетики, учитывающую 'специфику предметной области;
метаонтологию (унифицированную онтологическую модель) для разработки ПК в конкретной предметной области;
методические принципы построения интеграционной среды ПК, включающие выбор модели архитектуры ПК и управление интеграционной средой с помощью онтологии;
методику построения ПК с архитектурой, управляемой онтологией.
3. Разработаны онтологии основных понятий теплоэнергетики, оборудования
ТЭС, .онтология задач и другие, а также, на их основе, онтология для по
строения ПК.
4. Разработано формализованное описание ПК, как интеллектуального информационного ресурса, для интеграции его в состав ИТ-инфраструктуры исследований энергетики.
Научно-практическая значимость заключается в применении предложенного методического подхода для описания знаний предметной области и задач расчета ТЭУ, моделирования архитектуры ПК и его реализации. Предложенные методики и методические принципы построения интеграционной среды на основе онтологии применены при разработке ПК ОРТЭС для исследования теплоэнергетических систем и установок, а также при построении среды для моделирования электроэнергетической системы (на примере Иркутской ЭЭС).
Кроме того, теоретические результаты диссертационной работы, связанные с разработкой онтологии предметных областей энергетики, применены при выполнении грантов РФФИ № 07-07-00265а (2007 -2009 гг.) и № 08-07-00172 (2008-2009 гг.) и гранта РГНФ №07-02-12112в (2007 -2009 гг.).
Личный вклад. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике, образовании», г. Иркутск, 2005 г.; XII, XIII и XIV Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2007-2009 гг.; Международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании», Алмати (Казахстан), 2008 г.; XXXIV Международной конференции "Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе", Гурзуф (Крым, Украина), 2008 г., а также на семинарах и заседаниях секции Ученого совета ИСЭМ СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе, 7 - в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных работ на соискание степени кандидата наук.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 136 наименований, и 8 приложений. Объем работы - 154 страницы. Работа содержит 31 рисунок, 2 таблицы.
