Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ информационного портала как объекта и инструмента управления ЕИП 18
1.1. Анализ структуры и системы управления ЕИП 18
1.2. Функции информационного портала как базового элемента ЕИП 22
1.3. Концептуальные (структурные и функциональные) модели информационных порталов 25
1.4. Социально- экономические проблемы построения ЕИП на базе порталов 29
1.4.1. Экономическая эффективность порталов 29
1.4.2. Задачи и механизмы управления проектами создания ЕИП 31
1.4.3. Портал как инструмент государственного управления 35
1.5. Методы математического моделирования портала как объекта ЕИП 38
1.5.1. Методы и задачи моделирования 38
1.5.2. Анализ методов моделирования информационного портала 41
1.6. Основные выводы 46
ГЛАВА 2. Разработка и исследование экономико-математических моделей информационного портала 48
2.1. Моделирование портала как системы массового обслуживания 48
2.1.1. Портал как система массового обслуживания 49
2.1.2. Расчет экономии за счет внедрения портала 53
2.2. Экономико-математические модели управления проектами развития портала 56
2.2.1. Постановка задачи оптимального вложения инвестиций в проект портала 57
2.2.2. Оптимальное распределение инвестиций методами математического программирования 58
2.3. Экономическое обоснование проекта портала на основе аппарата нейронных сетей 62
2.3.1. Задача оптимального вложения инвестиций в проект на основе НС с генетическим алгоритмом настройки 62
2.3.2. Задача прогнозирования уровня вложений инвестиций в
оборудование портала на основе нейронных сетей
с учётом старения 69
2.4. Информационный подход к задаче оптимальной замены оборудования портала 73
2.5. Основные выводы 81
ГЛАВА 3. Моделирование и верификация алгоритмов функционирования информационного портала сетями петри 83
3.1. Общие принципы моделирования портала сетями Петри 83
3.1.1. Описание функционирования сети Петри 84
3.1.2. Алгебраический подход к описанию функционирования сетей Петри 87
3.1.3. Моделирование потоков работ раскрашенными сетями Петри (алгебраический подход) 92
3.2. Моделирование функционирования информационного портала на примере подсистемы ЖКХ 96
3.2.1. Описание алгоритма функционирования подсистемы ЖКХ сетью Петри 97
3.2.2. Исследование алгоритмов функционирования подсистемы портала обыкновенными сетями Петри 101
3.3. Правила перехода от сети Петри к программным конструкциям на языке GPSS 104
3.4. Основные выводы 107
ГЛАВА 4. Инструментально-программные средства для проектирования портала администрации города (На примере портала г. Переелавля-Залвеского) 109
4.1. Уточнение функциональности систем управления проектами портала с учетом разработанных математических моделей 109
4.2. Программный комплекс для моделирования и проектирования портала 110
4.2.1. Разработка инструментальных программных средств для моделирования информационного портала 111
4.2.2. Инструментальные программные средства для построения портала..125
4.3. Основные выводы 135
Основные результаты работы 136
Литература
- Концептуальные (структурные и функциональные) модели информационных порталов
- Экономико-математические модели управления проектами развития портала
- Алгебраический подход к описанию функционирования сетей Петри
- Программный комплекс для моделирования и проектирования портала
Введение к работе
Диссертационная работа направлена на исследование и разработку методов проектирования информационных порталов (ИП) как составной части единого информационного пространства (ЕИП) России. Портал это необходимый шаг на пути создания электронного правительства страны. Он является высокоскоростной точкой входа в Интернет и информационной системой, которая предоставляет пользователю интересующую его информацию. Информация в условиях современного общества становится важным стратегическим ресурсом наряду с традиционными ресурсами (материальными, энергетическими, людскими). Быстро меняющаяся социально-экономическая обстановка России ведет к росту потребности, прежде всего, в достоверной и оперативной информации. Существующая система информационного обеспечения России далека от совершенства и пока не соответствует новым социально-экономическим условиям. В то же время нельзя не отметить определенные сдвиги в области развития и совершенствования информационного обеспечения. Так Комитетом при Президенте РФ по политике информатизации подготовлен проект целевой программы "Информатизация России". Конкретные мероприятия по объединению и координации усилий в области информатизации проводятся Федеральной целевой программой «Электронная Россия» [1-3].
Решение задачи информатизации регионов эквивалентно созданию единого информационного пространства России. Основу электронного управления составляет ЕИП органов государственной власти, реализуемое через иерархическую систему Интернет-порталов администраций городов и других территориальных образований. Портал является высокоскоростной связью с внешним миром и справочно-информационной системой для населения и государственных служащих. Основное назначение официального портала города - реализация доступа к информации о деятельности городской Думы и администрации города, области и областных органов
исполнительной власти. Кроме того, он содержит разделы общегородской информации, отражающей культурную, научную, спортивную жизнь, рекламные материалы, полезные ссылки на страницы и серверы ЖКХ, больниц, администраций низовых образований, учебных заведений и крупных предприятий. Информационные порталы служат инструментом государственного управления ("Электронное правительство") и представляют собой систему электронного обмена информацией между органами государственной власти, а также между государством и его гражданами. Они служат для максимально полного удовлетворения информационных потребностей граждан на всей территории государства, обеспечивают информационную поддержку принятия решений как в сфере управления экономикой, так и в области безопасности личности, общества, государства. Основными объектами ЕИП и государственных порталов являются:
информационные ресурсы - массивы документов, базы и банки данных, все виды архивов, библиотеки, музейные фонды и пр., содержащие данные, сведения и знания, зафиксированные на соответствующих носителях информации;
информационная инфраструктура, включающая в себя: организационные структуры, обеспечивающие функционирование и развитие единого информационного пространства, в частности, сбор, обработку, хранение, распространение, поиск и передачу информации. Обеспечивающую часть составляют
научно-методическое, информационное, лингвистическое, техническое, кадровое, финансовое обеспечение;
территориально распределенные государственные и корпоративные компьютерные сети, телекоммуникационные сети, системы специального назначения и общего пользования, сети и каналы передачи данных, средства коммутации и управления информационными потоками;
информационные, компьютерные и телекоммуникационные технологии;
системы средств массовой информации.
В составе информационного пространства рассматривают также и другие компоненты:
систему взаимодействия информационного пространства России с мировыми открытыми сетями;
систему обеспечения информационной защиты (безопасности);
систему информационного законодательства.
Перечисленные компоненты являются качественными характеристиками, условиями и признаками, при наличии которых совокупность объектов системы образует ЕИП.
Информационный портал как элемент ЕИП - это интегрированный Web- сайт, который организован в виде системного многоуровневого объединения различных информационных ресурсов и сервисов, ориентированных на определенную целевую группу пользователей (по тематике, функциям, сервисным службам и т.д.). Он является отправной точкой входа в Интернет/Интранет пространство и играет роль навигационной системы.
В настоящее время ИП становится массовым информационно-программным продуктом, как масштабах отдельной организации, города, региона, так и в масштабах глобального Интернет - пространства. Данное обстоятельство делает актуальной задачу индустриального (автоматизированного) подхода к проектированию и массовому производству информационных порталов различного назначения. Индустриальный подход возможен только при условии построения различных математических моделей портала и их всестороннего исследования.
8 Под моделированием, в общем случае, понимается замещение одного объекта (оригинала) другим объектом, называемым моделью, и изучение свойств оригинала путем исследования свойств модели. Необходимость использования моделей возникает, когда получение решений на реальном объекте дорого, сложно или вообще невозможно. Модель упрощает, удешевляет и ускоряет процесс исследования оригинала. Меньшая сложность модели по сравнению с реальной ситуацией или объектом, достигается тем, что модель описывает только отдельные элементы, связи и функции реального объекта, которые влияют на принимаемое решение. Сложность моделирования заключается в том, чтобы правильно определить наиболее важные (релевантные) в данном случае факторы и описать их влияние. Задачами моделирования являются сравнение вариантов проектирования оригинала, исследование свойств и оптимизация оригинала. Все перечисленное имеет прямое отношение и к моделированию ИП. Математическое моделирование ИП позволяет:
оценить архитектуру и оптимизировать режим работы вновь создаваемого портала,
проверить правильность внутреннего устройства и корректность алгоритмов функционирования,
провести оптимальное распределение средств на его проектирование,
определить стратегию обслуживания и т.д.
Поскольку проблема создания портала может быть рассмотрена с разных сторон, то существует иерархия его моделей, каждая из которых имеет свои особенности и назначение:
Портал предназначен для массового обслуживания населения, поэтому может рассматриваться как СМО, основными параметрами которой являются коэффициент загрузки, количество заявок в системе, среднее количество заявок в очереди, среднее время обслуживания заявки и т.д. При этом важно
9 оценить его возможности при различных потоках заявок и дисциплинах обслуживания.
Портал может быть рассмотрен как система со сложной внутренней структурой. Для моделирования его работы удобно использовать модели сетей Петри или теории автоматов. Данные модели позволяют протестировать алгоритмы функционирования портала на предмет ограниченности, живости, наличие тупиков и ловушек, клинчей и т.д. Поскольку портал - это сложный технический объект, объединяющий сотни единиц компьютерного оборудования, то необходимы инструменты для оценки надежности и определения стратегии замены оборудования. Здесь возможно использование информационного подхода к решению задачи замены оборудования.
Наконец, можно рассматривать проект создания портала как экономическую задачу оптимального вложения средств. Эта задача эффективно решается методами математического программирования. В последнее время для ее решения стали применять аппарат нейронных сетей. В целом моделирование позволяет экономить средства и решать оптимизационные задачи еще до создания самого портала.
Информационные ресурсы являются одним из важнейших объектов и компонентов информационного пространства и их формирование и использование - одна из ключевых проблем создания единого информационного пространства.
Настоящая работа посвящена исследованию технологических и экономических аспектов построения ИП как основы создания единого информационного пространства и развития рыночной экономики региона. В работе предлагается комплекс математических моделей, отражающих экономические и технологические аспекты информационного пространства, а также программные средства на языках моделирования. Предложенные в диссертационной работе модели как инструментальные средства
10 исследования позволяют обоснованно проектировать информационные порталы, являющиеся базовой единицей ЕИП.
Управляющие параметры математических моделей должны быть корректно соотнесены с реальными показателями, характеризующими работу ИП. Для этого выделяют и детально описывают существующие процессы и работы, определяя возможные сценарии их развития. При этом получают модель, в значительной степени соответствующую реальной системе. Исследование модели заключается в обосновании причинно-следственных связей элементов структуры, обосновании улучшения ее параметров.
Итогами моделирования являются также: оптимизация потоков работ и документооборота; ликвидация узких мест; устранение дублирования; сокращение времени выполнения задач; определение мест и методов контроля процесса; оптимизация распределение ресурсов.
В дальнейшем для моделирования: используются методы теории расписаний, конечных автоматов, теории систем массового обслуживания, сети Петри и другие инструментальные средства. Большое внимание уделяется технологии и языкам, адаптированным к нуждам приложений.
Актуальность проблемы. Основу электронного управления России составляет единое информационное пространство (ЕИП) органов государственной власти, реализуемое через иерархическую систему Интернет-порталов администраций поселков, городов, регионов, областей и других территориальных образований. Портал является высокоскоростной связью с внешним миром и справочно-информационной системой для населения и государственных служащих. Портал размещается на соответствующем оборудовании и представляет собой сложную информационно-аналитическую коммуникационную систему, требующую оптимизации загрузки и технического обслуживания. В настоящее время портал становится наиболее массовым информационно-программным продуктом в масштабах глобального Интернет - пространства. В то же время,
отсутствуют формализованные методы проектирования этого важнейшего элемента ЕИП. Данное обстоятельство делает актуальной задачу индустриального (автоматизированного) подхода к проектированию и массовому производству ИП администраций различного уровня.
Диссертационная работа направлена на исследование и разработку методов проектирования информационных порталов (ИП) как составной части ЕИП. Актуальность работы определяется насущной потребностью индустриального проектирования и создания системы порталов для государственного управления в среде ЕИП России. Данное направление представляет собой фундаментальную научную проблему, в рамках которой в настоящее время реализуются проекты «Электронная Россия», «Электронное государство», «Электронное правительство». В работе предлагается комплекс математических моделей, отражающих экономические и технологические аспекты информационного пространства, а также программные средства на языках моделирования. Предложенные в диссертационной работе модели как инструментальные средства исследования позволяют обоснованно проектировать информационные порталы, являющиеся базовой единицей ЕИП.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование математических и имитационных моделей для научно-обоснованного проектирования государственного ИП (администрации города или региона), включая: управление проектами создания и развития, оптимизации архитектуры и режимов работы, проверки корректности алгоритмического обеспечения, обеспечение надежности и выработки стратегии обслуживания портала в течение его жизненного цикла.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые поставленной целью, состоят в следующем:
1. Исследовать принципы построения портала: особенности
алгоритмов функционирования, структурной организации, методов
12 проектирования, создания математических моделей.
Разработать методы проектирования, управления и развития портала.
Разработать и исследовать функциональные модели портала.
Разработать методы обеспечения надежности программных, информационных и технических средств.
5. Создание и исследование эффективности портала для
администрации города с использованием разработанных в диссертации
моделей и методов.
Методы исследования базируются на теории систем массового обслуживания, теории информации, теории математического программирования, математическом аппарате нейронных сетей, методах имитационного моделирования на сетях Петри. Научная новизна работы заключается:
В модификации и адаптации современных научных подходов и математических методов моделирования применительно к решению новой актуальной задачи - построению и исследованию регионального портала как базового элемента ЕИП.
В получении научно-обоснованных рекомендаций по поддержанию режима работы, прогнозированию и принятию проектных и управляющих решений, определяющих и обеспечивающих экономическую эффективность порталов.
В комплексном подходе к изучению проблемы и внесению на этой основе определенного научного вклада в развитие инструментальных средств построения и управления ЕИП в целом.
Практическая ценность работы. Представленные в диссертации результаты использованы в ряде проектов и позволяют научно обоснованно решать важные задачи, возникающие при проектировании и исследовании характеристик порталов, как составной части ЕИП. Полученные в ходе
13 выполнения диссертационной работы результаты могут быть использованы в Вузах России при чтении дисциплин, связанных с моделированием и проектированием сложных экономических и технических систем.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается корректностью постановок задач, выбором алгоритмов функционирования с использованием методов математического моделирования, получением структур систем по заранее заданным критериям, разработкой языковых средств взаимодействия пользователя с системой с определением семантики языка, а также результатами практического использования предложенных в диссертации методов, моделей и средств.
Методы исследования базируются на теории систем массового обслуживания, теории информации, теории математического программирования, математическом аппарате нейронных сетей, методах имитационного моделирования сетями Петри.
Реализация результатов работы. Основные результаты работы внедрены в ЗАО «Росинтернет технологии» на этапах составления и реализации проекта портала администрации г. Переславля-Залесского, и в Московском энергетическом институте при выполнении НИР, что подтверждено соответствующими актами о внедрении. Апробация работы. Материалы и результаты работы докладывались и обсуждались на IV Международной научно-практической конференции «Методы и алгоритмы в технике, медицине и экономике» (Новочеркасск, 23 января 2004 г.); Научно-практической конференции «Реинжиниринг бизнес -процессов на основе современных информационных технологий. Системы управления знаниями» (РБП-СУ3-2004) (Москва, 14-15 апреля 2004 г); Международных научно-технических конференциях «Современные информационные технологии» (Пенза: 2004 и 2005 гг.); IV международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы экономики и
14 новые технологии преподавания (Смирновские чтения) (Санкт-Петербург, 15-16 марта 2005 г.); Международной конференции «Проблемы управления и приложения (техника, производство, экономика)» (Беларусь, Минск, 16-20 мая 2005 г.), Второй международной научно-практической конференции "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" (Санкт-Петербург, 7-9 февраля 2006 г.), 6-ой международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта CAD/CAM/PDM - 2006» (Москва, 24-26 октября 2006 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи в журналах, 2 статьи в сборниках докладов и 6 тезисов докладов международных и всероссийской конференций.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 63 наименования, и 3-х приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, основные модули программного обеспечения, результаты моделирования и другие вспомогательные материалы. Основная часть работы изложена на L44 страницах машинописного текста. Работа содержит 31 рисунков и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность исследуемой проблемы,
формулируются основные цели и задачи, определены научная новизна и
практическая значимость диссертационной работы.
В первой главе дан анализ структуры ЕИП и указано место в ней базовых
элементов - порталов. Приведено описание функций и сформулированы
требования к порталам, дается развернутый обзор известных моделей
портала. Дан анализ перспективных методов моделирования как объекта
ЕИП.
15 Во второй главе рассматриваются технико-экономические аспекты построения информационного портала, предназначенного для управления и взаимодействия органа государственного управления с гражданами, бизнесом и другими структурами. Дается экономическое обоснование портала посредством адаптации имеющихся методик расчета эффективности компьютерного оборудования и средств автоматизации в рассматриваемой предметной области. В простейшем случае Интернет-портал можно рассматривать как одноканальную систему массового обслуживания (СМО) с ожиданием. Исследуя средние интенсивности входного потока заявок А, и обслуживания ц можно построить его производственные функции. Данные функции в свою очередь определяют экономические затраты на поддержание необходимого режима работы портала. Из модели СМО следует, что при U=const, возникнет ситуация, когда из-за постоянно возрастающего потока входной информации неограниченно растает очередь на обслуживание и портал перестанет успевать ее обрабатывать.
Рассматривается задача управления проектом развития ИП как составной части ЕИП. Для решения задач планирования и прогнозирования уровня вложения инвестиций и развития информационного обеспечения предлагается использовать аппарат искусственных нейронных сетей. Предлагается собственная интерпретация метода применительно к задаче оптимизации размера и распределения инвестиций в проект портала.
Портал относится к системам длительного пользования. Стоимость его оборудования падает со временем, в то время как стоимость обслуживания (ремонта), как и всех сложных аппаратно-программных комплексов, постоянно возрастает. Возникает актуальная задача определения сроков модернизации или замены оборудования в процессе эксплуатации. Наличие отдельных значений (отсчетов) затрат за предыдущие периоды позволяет решить задачу о затратах в последующий период превентивно.
Предлагается экспертный подход к определению состояния оборудования портала, в условиях, когда зависимости изменения стоимости оборудования от времени являются неизвестными.
В третьей главе рассматривается задача моделирования работы информационного портала сетями Петри. Предлагаемые модели позволяют описать внутреннюю структуру портала, визуально и автоматически проанализировать алгоритмы его функционирования, т.е. выполнить верификацию. Математический аппарат обыкновенных и высокоуровневых (раскрашенных и временных) сетей Петри позволяет реализовывать имитационные модели подсистем портала, проводить дополнительный к моделям СМО анализ на безопасность (ограниченность), живость, наличие тупиков и ловушек.
Разработанные инструментальные средства моделирования включают: модуль моделирования портала как СМО, модуль решения задач прогнозирования и оптимального вложения инвестиций на ИНС, модуль для моделирования функций портала на основе сетей Петри. Разрабатывается специальный модуль на основе алгебраического подхода, который позволяет автоматически строить дерево маркирования сети Петри. Впервые предлагается подход к симулированию работы сети Петри на языке GPSS. Широкий набор компонентов языка GPSS позволяет конструировать сложные имитации модели с сохранением терминологии СМО. Предложена программная технология перехода от сети Петри к модели на языке GPSS, в соответствие с разработанной техникой. Данная модель позволяет задавать различные входные потоки транзактов.
В четвертой главе предлагаются программно-инструментальные средства для моделирования и экспериментального проектирования портала администрации (на примере подсистемы ЖКХ), Современные технологические подходы к построению портальных программных комплексов предполагают создание большого количества сложных
17 программных модулей, реализация которых является весьма ресурсоемкой задачей. Предложено дополнить Функции, которыми должна обладать система управления проектами ЕИП (по соответствующим рекомендациям Microsoft) разработанными и исследованными моделями портала.
Предлагаемый программный комплекс содержит две части. Первая содержит программные средства для поддержки математического моделирования алгоритмов функционирования портала. Вторая - содержит программные средства, необходимые непосредственно для реализации портала.
Разработанные инструментальные средства моделирования включают: модуль моделирования портала как СМО, модуль решения задач прогнозирования и оптимального вложения инвестиций на ИНС, модуль для моделирования функций портала на основе сетей Петри. Разрабатывается специальный модуль на основе алгебраического подхода, который позволяет автоматически строить дерево маркирования сети Петри. Впервые предлагается подход к симулированию работы сети Петри на языке GPSS. Широкий набор компонентов языка GPSS позволяет конструировать сложные имитации модели с сохранением терминологии СМО. Предложена программная технология перехода от сети Петри к модели на языке GPSS, в соответствие с разработанной техникой. Данная модель позволяет задавать различные входные потоки транзактов. После моделирования работы портала для 1000 абонентов, постоянно подключенных к сети, в течение 10 дней, отводимых для заполнения форм, были выявлены узкие места системы. Было предложено модифицировать систему так, что бы она позволяла заполнять формы одновременно нескольким клиентам, что устранило образование очереди.
Концептуальные (структурные и функциональные) модели информационных порталов
В соответствующих исследованиях [1-5] показано, что развертывание современных информационных решений, включающих информационный портал поднимает производительность учреждения в несколько раз. При интенсивном и правильно организованном использовании информационных ресурсов, обеспечивается окупаемость затрат уже в первый год эксплуатации. Оценить экономический эффект от внедрения информатизации достаточно сложно. Он складывается из множества составляющих. Наиболее очевидная экономия наступает вследствие сокращения числа документов, которые необходимо печатать на бумажных носителях и выдавать посетителям либо рассылать по почте. Кроме того, порталы позволяют избежать ошибок в интерпретации документов в различных учреждениях.
Подсчитана цена неэффективной работы с информацией в масштабах России [ I ]. 1. Затраты времени граждан России на обращения в государственные службы составляют 3-4 млрд. человеко-часов в год; 2. обработкой обращений j-раждан непосредственно занято около 400 тыс. государственных служащих; 3. от 1/4 до 1/3 всех транзакций, которые проводятся при взаимодействии граждан с государственными службами, осуществляются с теми или иными ошибками; 4. от принятия нормативного документа до момента его использования в масштабах России проходит в среднем около двух лет.
Подсчитано, что на каждый акт взаимодействия гражданина со служащим государственного учреждения в России тратится в среднем около 4 часов. В целом по России от 1 до 1,5 млн. человек полностью исключаются из базы трудоспособного населения страны вследствие неэффективности организации работы государственных органов с населением. При использовании Интернет - портала гражданин затратит на обращение около 20 минут, затраты времени государственных служащих также не превысят 15-20 минут. Таким образом, порталы позволяют экономить время граждан и служащих. Современная организация труда позволила бы перевести на более полезные участки и несколько сот тысяч государственных служащих, занятых в неэффективных процессах информационного обслуживания граждан.
В настоящее время практически нет готовых методологий для расчета экономической эффективности порталов, что делает актуальным разработку метода оценки эффективности на основе имеющихся общих рекомендаций для программно-аппаратных приложений. Более того, эти методы оценки, как будет показано в следующей главе диссертационной работы, должны быть увязаны с задачей оптимизации структуры и режимов работы портала.
Задачи и механизмы управления проектами создания ЕИП
В настоящей работе задача управления проектами создания ЕИП фактически сведена к задаче управления проектам создания ее массового элемента - информационного портала [29-32]. В то же время следует понимать, что информационное пространство гораздо сложнее, чем единичный портал. Оно определяется сложным взаимодействием порталов различных рангов. Проект конкретного портала должен быть увязан в общей схеме информационного пространства, предложенной программой «Электронная Россия» или другого глобального проекта. В этой связи и управление проектами в рамках информационного пространства должно носить одновременно глобальный и локальный масштабы. Основные задачи проекта вытекают из положения об органах управления РФ и соответствующих нормативных документов. Ниже рассматриваются некоторые механизмы управления проектами его развития. Можно выделить следующие важнейшие задачи процессов организации и управления проектом. 1. Исследование целесообразности проекта; 2. Выявление моментов начала и окончания финансирования проекта; 3. Мониторинг и прогнозирование состояния с учетом возможною риска; 4. Возможности коллективной работы над проектом; 5. Автоматизация управления. б.Оптимизация распределения ресурсов между исполнителями (задача оптимального вложения инвестиций).
Решение перечисленных задач в современных условиях применительно к проектам создания единого информационного пространства региона требует знания новейших информационных технологий, методов многокритериальной оптимизации и математического моделирования. Рассмотрим основные концептуальные подходы к решению экономических проблем ЕИП по современным литературным источникам, включая ресурсы Internet [11-17].
Экономико-математические модели управления проектами развития портала
Таким образом, при известных параметрах входного и выходного потоков, а также коэффициентах а, Ь можно используя формулы рассчитать эффективность от автоматизации труда. Оптимизационная задача заключается в определении таких издержек на автоматизацию труда, которые позволят достичь наибольшего экономического эффекта. Для решения этой задачи требуется найти взаимосвязь между показателями С и Фф. Положим, что средняя интенсивность поступления заявок в систему X постоянна. Тогда 1_е-Ь(м-мо) а —//- тах, кфн (. А задача примет вид: Е = 2) Экономия от сокращения непроизводительных расходов
Данный эффект связан с сокращением бюджетных расходов на проведение ряда рутинных мероприятий. Указанный эффект приводит к большему числу обработанных заявлений, уменьшению затрат времени на выполнение типовых операций: поиск информации; подготовка справок, отчетов, обзоров; подготовка решений; телефонные переговоры; прием посетителей; исправление ошибок и разбор конфликтных ситуаций. Экономия составит: Эн =Кб-Ч-Ф (человеко-час) или ЭИ=К6-Ч-Ф-3С (руб.), где: Кб сокращение потерь и непроизводительных затрат времени на одного служащего в течение года, (ч); Ч - численность работающих, у которых сокращаются потери и непроизводительные затраты времени, человек; Ф годовой фонд рабочего времени одного служащего (дней) Зс - среднегодовая зарплата одного служащего. Уменьшение затрат времени на выполнение типовых операций (для служащих, связанных с приемом граждан, может достигать 75% рабочего времени). Таким образом, коэффициент сокращения потерь выбираем равным Кб = 0.75. 3) Экономия за счет улучшения качества обслуживания граждан.
Показатель связан с экономией от повышения качества обслуживания населения. На каждый акт взаимодействия гражданина со служащим государственного учреждения в России тратится в среднем около 4 часов. При использовании портала гражданин затратит на обращение около 15+20 минут. Таким образом, порталы позволяют экономить время граждан. Затраты времени граждан России на обращения в государственные службы составляют 3-4 млрд. человеко-часов в год. Пользуясь приведенными данными можно рассчитать экономию рабочего времени э в связи с сокращением потерь и непроизводительных затрат времени. Коэффициент сокращения потерь К6 составит: « -- - = 0.0625-0.0833. Примем для определенности Ке = 0.07. Таким образом, затраты после внедрения порталов составят в целом по России: эщт = \рь кб = 0-2 -28 Ч (человеко-час /год), где: Зерп 3щ о - соответственно затраты времени после и до внедрения портала (человеко-час). Таким образом, экономия составит: 3«=(3ЧРа-?врті)-Зг=0.93(3-і-4)-109-Зг(д ), где , - среднегодовая зарплата гражданина в России. Соответствующие усредненные показатели для региона можно установить пропорционально численности его населения. Дополнительный косвенный экономический эффект получается в результате содействия развитию бизнеса и повышению инвестиционной привлекательности региона.
Экономико-математические модели управления проектами развития портала
Рассматривается задача управления проектами развития портала как составной части ЕИП. Для выработки стратегии управления проектом предлагается использовать комплекс методов оптимального распределения инвестиций, включая метод динамического программирования, эвристические методы и нейронные сети с генетическими алгоритмами настройки [47-51].
Среди важнейших задач процессов организации и управления проектом портала выделим две задачи, которые носят ярко выраженный экономический характер 1. Исследование целесообразности проекта и оптимальности вложения инвестиций; 2. Вопросы поддержания работоспособности портала за счет затрат на обслуживание и своевременную замену оборудования.
Рассмотрим основные методы, обеспечивающие оптимальность вложения финансовых ресурсов в развитие информационного пространства. Финансовые ресурсы распределяются между различными проектами, а также в рамках одного проекта между возможными исполнителями.
Ограничимся далее задачей оптимального распределения инвестиций между исполнителями. Пусть имеется инвестиционный капитал (или объем работ), который нужно распределить среди п исполнителей. Предполагается, что для каждого заказчика и исполнителя задана функция зависимости прибыли от объема вложения (или функция затрат), а также допустимые предельные значения объема вложения. Для дискретного случая известны значения прибыли (затрат) исполнителя в исследуемых точках.
В различных постановках оптимальным считается [ I 1,38-40]: 1) наиболее прибыльный вариант распределения капитала среди исполнителей, 2) вариант, требующий минимума затрат на выполнения заданного объема работ.
Переменными являются объемы инвестиций (работ), а целевой функцией, которую нужно максимизировать (минимизировать), - суммарный доход (затраты) инвестора. Пусть: V - объем инвестиций (или однородных работ), V,- объем инвестиций (объем работ), который получает і - ый исполнитель, ie{I,2,...,nf.
Если все функции прибыли (затрат) f, линейны, например, f, =aj.Vj, где, щ -удельная прибыль (затраты), то используют методы линейного программирования. Задача сводится к решению системы из (п+1) уравнения при заданных ограничениях на объемы работ, а также к задаче о ранце [39].
Если хотя бы одна из функций нелинейная, то применяют метод градиентного спуска. В дискретном случае, можно пересмотреть все возможные комбинации распределения капитала (полный перебор). При большом числе переменных целесообразно динамическое программирование. В нем каждое последующее решение использует результат предыдущего. При этом последовательно рассматриваются варианты распределения инвестиций по парам, затем по тройкам и т.д. исполнителей. Это позволяет резко сократить объем вычислений.
Для решения данной задачи используют также эвристические методы, которые не гарантируют получения оптимального варианта, но позволяют на определенном этапе остановиться на приемлемом решении.
2.2.2. Оптимальное распределение инвестиций методами математического программирования
В оптимизационной задаче переменными являются объемы инвестиций (работ) в каждый проект, а функцией, которую нужно максимизировать (минимизировать) - суммарный доход (затраты) инвестора.
Пусть v - объем инвестиций (или объем однородных и произвольно делимых работ), v, объем инвестиций (максимальный объем работ, который может выполнить или должен получить) і - ый исполнитель, (/= 1,2....,ffl). Задача планирования с учетом затрат заказчика и исполнителей формулируется следующим образом [39].
Алгебраический подход к описанию функционирования сетей Петри
Смена маркировок сети, т.е. функционирование сети Петри, может быть описано следующим уравнением: [56]: МкшМы+Лтиы A = H-FT к = 1,2,.... Uk - управляющий вектор в Л-ый момент (такт) функционирования сети, размерность которого совпадает с количеством переходов в сети. Управляющий вектор для данной сети в начальном состоянии имеет вид 0 = , причем г,-1 означает готовность перехода /( к срабатыванию, 7-,=0 \ги - отсутствие готовности. Наличие нескольких единиц в векторе соответствует одновременному возбуждению соответствующих переходов и наличию разветвления процесса.
Элементы управляющего вектора можно определить следующим образом. Элементы вектора текущей разметки М сравниваются с соответствующими элементами столбцов матрицы инцидентности F, каждый из которых отвечает за состояние одного перехода. Если все элементы вектора текущего состояния не меньше соответствующих элементов - 1-го столбца матрицы F, то это означает возможность срабатывания і-го перехода, и, следовательно, г=1.
Здесь 5 - вектор счета срабатываний. Элемент вектора 5, указывает на число срабатываний перехода j, в последовательности срабатываний, ведущих от начальной разметки Л„ в разметку Мк,
Рассмотренный алгебраический подход к исследованию сетей Петри на основе управляющих векторов реализован в виде программного инструментального средства -симулятора , который способен автоматически строить граф достижимых разметок (Приложение 2.5).
Исследование сети Петри па ограниченность. Целочисленный вектор X, являющийся решением уравнения АХ = 0, называется р - инвариантом или р - циклом. Преобразуем уравнение следующим образом: ХТМк = XTM„+XTATS.
Известно: ХтАт =(АХ)Т =0, поэтому ХТМІ - ХтМа - условие инвариантности позиций, т.е. через к тактов сеть Петри возвращается к начальной разметке. Таким образом, вектор определяет некоторое свойство распределения меток по позициям. Если все компоненты р- цикла неотрицательны, то р-цикл называют р -цепью. Полная р- цепь включает в себя все позиции сети Петри. Сеть Петри является инвариантной, если для нее существует полная р- цепь. Инвариантная сеть Петри является ограниченной.
Для того чтобы определить, является ли заданная сеть Петри ограниченной, необходимо решить систему:
Отсюда следует, что если Y О, то сеть устойчива, т.е после ряда переключений она возвращается в исходное состояние (инвариантность). Вектор Y называется / -циклом, если он является ненулевым решением уравнения. Полная г-цепь - это г-цикл, все компоненты которого положительны. Сеть Петри называется живой, если она имеет полную / -цепь. Полная /-цепь включает в себе все переходы сети. Для рассматриваемого примера:
Поскольку все компоненты вектора Y нулевые, то текущее маркирование совпадает с начальным маркированием только, если не сработает ни один из переходов сети. Другими словами, последовательность состояний сети не имеет возвратов, что подтверждается графом состояний. Таким образом, сеть не является живой.
Метод аналогичен исследованию обыкновенных сетей Петри. Раскрашенная сеть задается пятеркой cN = (N, C,X,D, сМ0), где: N -обычная сеть Петри, С - множество цветов, X - раскраска дуг, D- матрица инцидентности, задает взаимное отображение множества мест и множества переходов (если метка цвета g поступает из перехода tt в позицию Pj, то dfj = 1. Если метка цвета g потребляется переходом /, из позиции рп то dfj =-1, в противном случае dfj =0). сМ0 - начальная цветная разметка - показывает, сколько меток и какого цвета содержится в каждой позиции сети Петри. сМ0 =\m0l\,i = \,2, ,«, « количество мест в сети. Для раскрашенных сетей проводится исследование на ограниченность, живость и наличие тупиков, аналогичное исследованию обыкновенных сетей Петри. Особенностью является наличие векторов описаний (слотов) для каждой позиции, дуги, элемента матрицы сМ0 и т.д. с числом позиций равным количеству цветов. Дополнительно может использоваться матрица cF- отображает множество позиций на множество переходов с учетом цвета. Элемент матрицы: cFtf = 1, если существует дуга из места pt в переход t} цвета g и cFjf = 0 в противном случае. Пусть, например, имеем множество цветов С = {і,2,з}и матрицы инцидентности:
Пусть, например, описание начальной разметки имеет вид: mo]=(100), то2=(000), тоЪ =(000), =(000), =(010).
Наличие 1 в j -ой позиции слота і- го места означает наличие в данном месте одной метки с цветом j . Описание упрощается, если в каждом месте могут находиться метки только одного цвета. В этом случае слоты можно не использовать. С учетом этого имеем запись начальной разметки: то\ =1 . тЛ =0» moi =0, ГО =0 то5 =12,Т.Є. СМ0 = о о ч!2у Функционирование сети связано с переходом от одной цветной разметки к другой под воздействием управляющих векторов /,., элементы которого аналогичны элементам обычной сети Петри.
Программный комплекс для моделирования и проектирования портала
Предлагаемый программный комплекс содержит две части. Первая содержит программные средства для поддержки математического моделирования алгоритмов функционирования портала Вторая программные средства, необходимые непосредственно для реализации портала. Здесь на основе рассмотренных современных технологий предлагается проект построения информационного портала города для автоматизации функции управленческой деятельности администрации города. К сожалению, в данной стадии все программы являются экспериментальными и не имеют общих программных средств реализации. Для моделирования были использованы Язык C++, среда программирования Maple 6, среда моделирования GPSS. Для проектирования портала использовалось программирование для Internet на языке РНР.
Программный комплекс реализуется как открытая система, допускающая дальнейшее функциональное расширение. Обеспечивается распределенная работа абонентов, подключенных к системе через стандартные средства Интернет. Программная часть проекта, посвященная моделированию, содержится в Приложении 2., проектированию портала - в Приложении 3.
Разработка инструментальных программных средств для моделирования информационного портала
Разработанные инструментальные средства моделирования включают следующие компоненты: - модуль моделирования портала как СМО, - модули решения задач прогнозирования и оптимального вложения инвестиций на НС, - модуль для моделирования функций портала на основе сетей Петри и GPSS. I) Инструментальные программные средства для моделирования работы портала нейронными сетями Как уже отмечалось, программное обеспечение является разнородным.
Программная реализация универсального аппроксиматора (приведена в Приложении 3.2) была выполнена на основе языка C++. В начале программы определено несколько констант. N - количество функций Гаусса. Sigma - константа, используемая в функции Гаусса. Eta - константа используемая для корректировки весов. XiNum - Количество узлов приближения Xi[] и Yi[] - Содержит координаты узловых точек функции взятой для моделирования и прогнозирования.
При вызове функции Firstinit заполняются два массива начальными значениями С и W. В С мы помещаем числа, которые потом не будут изменяться. А в W кладём случайные значения (веса).
Затем функцией Make Tuning производим настройку нейрона для каждой исследуемой точки. При помощи итерационного вызова функции CorrectWeights. Даём на вход этой функции желаемые значения и значения которые были получены после применения функции Гаусса. И корректируем массив значений W[].
После этого визуализируются два изображения для исходной функции и полученной. Координата Y Зависит от суммы полученных весов умноженных на функцию Гаусса. Меняя первые три константы и количество исследуемых узлов можно довольно точно приблизить функцию к заданной. Программная реализация дана в Приложении 2.2.
Возможности использования технологии .Net
Предполагается в последствии объединить вес НС, применяемые для решения оптимизационных задач и задач прогнозирования в единую подсистему. Программное обеспечение для моделирования включает разработку оболочки по технологии .Net для реализации нейронных сетей, а также конкретные реализации алгоритмов моделирующих аппроксиматор для прогнозирования уровня инвестиций и нейронную сеть для решения оптимизационной задачи о вложении инвестиций в проект портала. На данный момент существует множество программ, с помощью которых можно проектировать, настраивать и использовать нейронные сети, например Neiirooffice, Neuro Emulator и т.д. Достаточно полные инструментальные средства проектирования НС предлагает система Matlab 6: Однако отдельные ее реализации не увязаны в единую систему, громоздки и сложны в обращении, поэтому есть необходимость в создании эффективной и удобной для пользователя программной системы для работы с НС.
В настоящей работе предлагаются программные компоненты для моделирования и практического использования нейросетевых алгоритмов. Проект предполагает реализацию основных моделей искусственных нейронных сетей и инструментальных средств для программного решения задач распознавания, аппроксимации, оптимизации, прогнозирования и других задач. Набор задач может наращиваться ПС предлагает удобные, понятные пользователю и одновременно с зтим, мощные средства объектного программирования.
Для реализации набора компонент выбрана технология .NET, имеющая ряд существенных преимуществ, в рамках компонентной парадигмы, перед другими технологиями, такими как: COM, СОМ+, ActiveX, в том числе: многоязыковая поддержка на уровне создания приложений, удобные средства интегрирования и использования компонент при разработке ПО, кроссплатформенность.
Части проекта ".NET-компоненты" и "Инструментальные средства" представлены в виде .NET-сборок (assemblies) neuralbase.dll и tools.dll соответственно, язык реализации - С#. Данные сборки поддерживают Microsoft .NET Frame Work 1.0 и Microsoft .NET Frame Work 1.1. Есть возможность их использования в Microsoft Visual Studio .NET. Сборка neuralbase.dll представлена в виде единого пространства имен (namespace) NeuralBase, содержащего набор классов, методы и свойства которых реализуют различные модели искусственных нейронных сетей. ПО реализует набор .NET компонент для основных моделей нейронных сетей, а также дополнительные компоненты, необходимые для решения задач. Особенности предлагаемой технологии программирования рассмотрим на примере моделирования НС Хопфилда, работающей в качестве фильтра. Программа оперирует входными и выходными векторами.
