Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ предметной области и обоснование выбора аппарата событийного моделирования 10
1.1 Основные понятия проблемы энергетической безопасности 10
1.2 Существующие подходы и программное обеспечение исследований проблемы энергетической безопасности 23
1.3 Аналитический обзор алгебраических систем и сетей 39
1.4 Выводы по главе 48
2 Методический подход к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности и примеры его применения 50
2.1 Joiner-сети как аппарат событийного моделирования 50
2.2 Событийное моделирование в исследованиях энергетической безопасности на основе Joiner-сетей 58
2.2.1 Событийные карты и событийные модели 58
2.2.2 Предлагаемый набор базовых графических элементов для построения событийных карт 61
2.2.3 Алгоритм перехода от графического представления событийной модели к ее формализованному представлению на основе Joiner-сетей 63
2.2.4 Методика событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности 64
2.3 Событийное моделирование компенсации последствий чрезвычайной ситуации на примере чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС 69
2.3.1 Событийная карта вариантов компенсации последствий чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС 72
2.3.2 Событийная модель вариантов компенсации последствий чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС и ее формальное описание в виде Joiner-сети 74
2.4 Интеграция событийного моделирования и индикативного анализа на основе Joiner-сетей 75
2.4.1 Алгебраическая сеть для расчета индикаторов энергетической безопасности 76
2.4.2 Joiner-сеть для построенной алгебраической вычислительной сети 77
2.4.3 Методика интеграции событийного моделирования и индикативного анализа на основе алгебраических вычислительных сетей для оценки уровня энергетической безопасности 78
2.5 Выводы по главе 83
3 Применение предложенного подхода и событийных моделей для проведения вычислительных экспериментов в исследованиях проблемы энергетической безопасности 84
3.1 Формирование стратегий вычислительного эксперимента в многоагентном программном комплексе ИНТЭК-М для исследований проблемы энергетической безопасности 84
3.2 Методика применения событийных моделей для формирования стратегии вычислительного эксперимента 86
3.3 Инструментарий для поддержки событийного моделирования в исследованиях ЭБ 89
3.3.1 Графическая среда событийного моделирования и реализация алгоритма перехода от графического представления событийной модели к ее формализованному представлению на основе Joiner-сетей 91
3.3.2 Программная реализация Joiner-сетей 96
3.3.3 Инструментальные средства для хранения и редактирования Joiner-сетей с использованием Репозитария ИТ-инфраструктуры исследований в энергетике 98
3.4 Применение разработанных методик и инструментальных средств поддержки событийного моделирования в исследованиях проблемы энергетической безопасности 100
3.5 Применение предложенного подхода в проектах по грантам РФФИ и РГНФ 103
3.6 Выводы по главе 110
Заключение 112
Литература 113
- Существующие подходы и программное обеспечение исследований проблемы энергетической безопасности
- Методика событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности
- Методика интеграции событийного моделирования и индикативного анализа на основе алгебраических вычислительных сетей для оценки уровня энергетической безопасности
- Применение предложенного подхода в проектах по грантам РФФИ и РГНФ
Введение к работе
Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первый из них - это значимость исследований проблемы энергетической безопасности (ЭБ)1, которая определяется, в свою очередь, ключевой ролью топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в экономике страны и ситуацией, сложившейся в ТЭК и в экономической и социальной жизни страны к настоящему времени. Второй связан с необходимостью создания нового инструментария исследований проблемы энергетической безопасности. Это, в свою очередь, обусловлено, с одной стороны, развитием информационных технологий и появлением новых подходов к моделированию, а с другой, необходимостью развития качественных методов анализа в исследованиях проблемы ЭБ и их интеграции с существующими количественными методами анализа. Одним из таких новых методов является событийное моделирование, под которым понимается построение поведенческих моделей, причем в качестве объектов моделирования могут рассматриваться как люди, так и технические объекты. Событийное моделирование основывается на применении алгебраических сетей и позволяет рассматривать распространение в сетях как неблагоприятных событий (возмущений), так и благоприятных событий (улучшающих характеристики процессов и свойств объектов). Последнее представляет интерес для исследований проблемы ЭБ и может послужить основой нового подхода к созданию инструментария исследований, который, в свою очередь, требует разработки методов, алгоритмов и инструментальных средств для событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности и их интеграции с уже существующим инструментарием исследований.
Под энергетической безопасностью страны понимается состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения.
Методологические основы исследований энергетической безопасности заложены в работах Воропая Н.И., Клименко СМ., Криворуцкого Л.Д., Славина Г.Б., Сендерова СМ., Пятковой Н.И., Чельцова М.Б. и др.
Теоретические основы теории алгебраических сетей разрабатывались в работах Клини С.К., Петри К.А., Мальцева А.И и др. Вопросы событийного моделирования на основе одной из разновидностей алгебраических сетей — Joiner-сетей, разрабатываются Л.Н. Столяровым и его учениками.
Объектом исследования является информационная технология исследований энергетической безопасности на уровне ТЭК страны, которая рассматривается как совокупность технологии проведения содержательных исследований, технологии организации вычислительного эксперимента и технологии разработки программных инструментальных средств, а также технология поддержки принятия решений по обеспечению ЭБ страны.
Предметом исследования являются методы событийного моделирования и построения инструментальных средств его поддержки на основе алгебраических сетей.
Целью работы является разработка методов и инструментальных средств событийного моделирования и их совместного использования с методами количественной оценки уровня энергетической безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Анализ методов, программных средств и технологии вычислительного эксперимента (ВЭ), используемых в исследованиях направлений развития топливно-энергетического комплекса с учётом требований ЭБ.
Обоснование целесообразности применения событийного моделирования, основанного на использовании аппарата алгебраических сетей, в исследованиях проблемы энергетической безопасности.
Аналитический обзор существующих сетевых парадигм и обоснование выбора Joiner-сетей как математического аппарата поддержки событийного моделирования.
Разработка методики событийного моделирования на основе Joiner-сетей в исследованиях проблемы энергетической безопасности и иллюстрация ее на примере моделирования компенсации последствий чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС.
Разработка методики интеграции событийного моделирования и индикативного анализа уровня энергетической безопасности на основе Joiner-сетей.
Разработка методики формирования стратегии вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы энергетической безопасности с использованием событийного моделирования на основе Joiner-сетей.
Разработка состава и требований к инструментальным средствам поддержки событийного моделирования, реализация научно-исследовательского прототипа инструментальных средств.
Методами и средствами исследования являются: методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы событийного моделирования, теория систем, теория алгебраических сетей, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование).
Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:
Впервые предложено использовать событийное моделирование для анализа вариантов компенсации последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике с позиций энергетической безопасности.
Разработан методический подход к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности, включающий:
понятие событийных карт (графического представления событийной модели в терминах предметной области) и набор базовых графических элементов, отражающих возможные событийные структуры;
алгоритм перехода от событийных карт к формализованному представлению событийной модели на основе логических уравнений для Joiner-сетей;
методику событийного моделирования в исследованиях проблемы энергетической безопасности, основанную на применении аппарата Joiner-сетей;
методику интеграции, на основе Joiner-сетей, событийных моделей и алгебраических сетей для расчета индикаторов энергетической безопасности, для целей мониторинга уровня ЭБ. 3. Предложена методика формирования стратегии вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы энергетической безопасности на основе событийного моделирования. Практическая значимость. С использованием предложенного методического подхода реализованы программные инструментальные средства поддержки событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности. Разработанные методики, алгоритмы и инструментальные средства применены в исследованиях проблемы энергетической безопасности и при выполнении проекта № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений».
Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены при выполнении проектов по грантам: РФФИ № 07-07-00265а и РГНФ № 07-02-12112в (2007-2009гг.), РФФИ № 08-07-00172 (2008-2010), гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» № 2.29 и используются при выполнении проекта по гранту РФФИ № 10-07-00264 (2010-2012).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции "Computer Science and Information Technologies", Крит (Греция), 2009 г.; международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (Украина), 2008, 2010 гг.; международной конференции «Интеллектуальные системы принятия решений и проблемы вычислительного интеллекта», Евпатория, 2010 г.; Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2007-2009 гг.; на конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН
(2007-2010 гг.), а также на семинарах и заседаниях секций Ученого совета ИСЭМ СО РАН.
Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ, в том числе 4 из них — в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ по специальности.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований, включает 5 таблиц и 42 рисунка. Объем работы 123 страницы.
Существующие подходы и программное обеспечение исследований проблемы энергетической безопасности
Для принятия решений по обеспечению энергетической безопасности страны необходимы способы определения мероприятий для поддержания приемлемого уровня ЭБ. Проблема ЭБ России и ее регионов существенно выходит за рамки энергетики, вопросов развития и функционирования ТЭК и систем энергетики (СЭ). Поэтому необходимо анализировать и обосновывать мероприятия по обеспечению ЭБ, связанные с общеэкономическими решениями, внешнеэкономическими и внешнеполитическими действиями и т.д. При этом ключевую роль играют мероприятия внутри энергетического хозяйства. Анализ восприимчивости ТЭК и СЭ к угрозам ЭБ, возможностей быстрого и эффективного восстановления топливо- и энергоснабжения потребителей связан со следующими двумя важными особенностями [16]: уникальностью ЧСЭ, крупных аварий экстремального характера по вероятности и условиям возникновения, характеру происходящих явлений и процессов, характеру и тяжести последствий для СЭ и потребителей; потребностью достаточно подробного представления СЭ и потребителей в исследованиях из-за крупномасштабности возмущений, возможности развития неблагоприятных явлений, необходимости моделирования реакции энергетических объектов и потребителей с учетом их структуры и свойств, поскольку разные элементы СЭ и разные потребители неодинаково реагируют на крупное возмущение и т.д. На уровне ТЭК страны проблема рассматривается на базе анализа топливно-энергетических балансов с разбивкой на территориальные и отраслевые блоки при учете энергетических связей между территориальными единицами и отраслевыми блоками, а также детализацией крупных потребителей ТЭР. Эти исследования включают в себя решение следующих задач [17]: определение состава потенциально возможных угроз и формирование на этой основе сценариев возмущений; оценка состояния ТЭК после реализации различных сценариев возмущений и выявление «узких мест» в топливо- и энергоснабжении потребителей; оценка эффективности мероприятий по устранению «узких мест» при реализации угроз; отбор инвариантных и наиболее эффективных мероприятий по обеспечению энергетической безопасности.
Невозможность проведения натурных экспериментов на таком большом и сложном объекте исследований, как ТЭК, требует организации и проведения многочисленных вычислительных экспериментов для решения вышеуказанной задачи, результаты которых используются для обоснования альтернативных решений. Вычислительный эксперимент-метод изучения устройств или физических процессов с помощью математического моделирования. Он предполагает, что вслед за построением математической модели проводится ее численное исследование, позволяющее «проиграть» поведение исследуемого объекта в различных условиях или в различных модификациях. Таким образом, в роли опытной установки в вычислительном эксперименте выступает не конкретное физическое устройство, а программа. Это заметно повышает роль программного обеспечения в проведении исследований. Основные задачи в процессе исследований ЭБ включают в себя следующие составляющие.
Формирование множества сценариев возмущений, отражающих наиболее представительные или характерные сочетания внешних условий развития и функционирования ТЭК (количество таких характерных ситуаций может оказаться чрезвычайно большим). Это важная составляющая исследования, слабо формализованная, методически одинаковая как на уровне ТЭК страны, так и на отраслевом и региональном уровне. Оценка состояния ТЭК, последствий реализации угроз, выявление возможных слабых мест в топливо- и энергоснабжении потребителей и оценка эффективности мероприятий при конкретных сценариях возмущений. На уровне ТЭК страны эти задачи рассматриваются на базе анализа балансов ТЭР с разбивкой на территориальные и отраслевые блоки при учете энергетических связей между территориальными единицами и отраслевыми блоками, а также с учетом детализации крупных потребителей ТЭР. Задача решается с использованием балансовых моделей линейного программирования (ЛП) с достаточно большой степенью детализации представления составляющих ТЭК и потребителей. Возможные модели исследования ТЭК на отраслевом уровне — детальные ЛП - модели, потоковые модели [18-21].
Оценка приемлемости и эффективности мероприятий по обеспечению ЭБ в конкретных сценариях возмущений и последующий отбор инвариантных и наиболее эффективных мероприятий для всего множества сценариев из-за сложности используемых моделей и слабой формализации критериев производится в рамках соответствующих имитационных процедур, существенная роль при этом отводится экспертам. Модели ТЭК и СЭ на базе ЛП-методов имеют соответствующие возможности оптимизации выбора мероприятий при определенном задании оптимизируемого функционала и уравнений модели.
Принятие решений о реализации мероприятий по обеспечению ЭБ осуществляется на уровне экспертов, при этом могут использоваться модели и экспертные оценки по другим факторам, в частности, могут учитываться условия реализации мероприятий с точки зрения экономики в целом, экологические, социальные и другие требования и ограничения.
Полученные при исследовании конкретного сценария развития ТЭК стоимость решения и возможные физические объемы недопоставок энергоресурсов потребителю в результате реализации той или иной угрозы ЭБ или их совокупности, а также сравнение расчетных значений индикаторов ЭБ с соответствующими пороговыми значениями служат критерием выбора рационального пути развития ТЭК с позиций ЭБ. Система СтраТЭК была разработана для решения задач оптимизации натуральных и финансовых балансов в электроэнергетике на долгосрочную перспективу [22].
Главное условие задачи, решаемой данной системой, звучит следующим образом: любой вариант развития отрасли на уровне страны, отдельного региона или компании должен удовлетворять целой совокупности условий сбалансированности по спросу на электроэнергию и тепло, ресурсам топлива для электростанций, располагаемым инвестиционным возможностям, приемлемой динамике цен, экологической нагрузке.
Для одновременного учета данных условий формируется система региональных балансов электроэнергии, мощности и тепла, балансов топлива, а также финансовых балансов отрасли и отдельных компаний. Совместный анализ такой системы натуральных и финансовых балансов в динамике является основной частью работы по прогнозированию, в ходе которой возникает необходимость решения отдельных частных взаимосвязанных задач, в том числе:
Методика событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности
Предлагаемая автором методика событийного моделирования основывается на формальном представлении событийных моделей в виде Joiner-сетей, часть этапов базируется на анализе методики ситуационного анализа предложенной автором в [74]. Методика состоит из последовательности этапов, описанных ниже. 1. Постановка задачи. В ходе этого предварительного этапа формулируются объект и цель моделирования, а так же выбирается уровень детализации модели. 2. Выбор инициирующих (и конечных) событий. На этом этапе эксперт должен выбрать инициирующие (начальные) события, реализация которых будет точкой отчета для дальнейшего развития событий. 3. Формирование списка событий модели. Эксперт, опираясь на результаты выполнения двух предыдущих этапов, должен составить список ключевых событий, отражающие динамку развития исследуемого процесса и решить — какие из них существенны и должны войти в модель, а какими можно пренебречь. 4. Определение последовательности реализации событий. Всё множество событий, сформированное на предыдущем этапе, анализируется экспертом и на основе его рассуждений между элементами этого множества устанавливаются причинно-следственные связи. 5. Построение событийной карты. Основной целью проведения этого этапа является визуальная фиксация результатов выполнения предыдущих этапов в виде событийной. Помимо этой, основной цели, существует и другая, не менее важная — эксперт, имея в своём распоряжении наглядное представление своих рассуждений, может увидеть неочевидные или неучтенные им факторы, и захотеть вернуться к предыдущим этапам, чтобы уточнить событийную модель. Так что на этом этапе должна существовать возможность обратной связи с предыдущими. 6. Построение Joiner-сети для событийной карты. Цель этого этапа заключается в формальном описании взаимосвязей событий выявленных и зафиксированных экспертом предыдущих этапах. В качестве формального описания для модели строится Joiner-сеть. Реализация каждого события модели представляется связывается с процессом Joiner-сети. 7. Получение множества сценариев развития событий. С помощью построенной Joiner-сети производится поиск сценариев развития событий. В процессе анализа возможных сценариев эксперт может вносить изменения в событийную модель и изучать как эти изменения влияют на развития событий. Вышеописанную методику можно представить в виде схемы (рис. 2.5), из которой видно, что после проведения некоторых этапов возможен возврат на предыдущие этапы. Предложенную методику можно представить в виде последовательности бизнес-процессов. Из всего множества существующих на сегодняшний день определений бизнес-процесса, наиболее полным, по мнению автора, является следующее, сформулированное А.В. Шеером: «Бизнес-процесс - описание порядка работ, направленных на достижение определенной бизнес-цели и обладающее следующими признаками: интегрированное описание функции, документов, опосредующих эти работы, и организационных подразделений; иерархический характер описания» [75].
Международным стандартом описания последовательности бизнес-процессов является графическая нотация IDEF0, в соответствии с которой выделяются функциональные блоки (прямоугольники), где управляющая информация входит в блок сверху, в то время как информация, которая подвергается обработке, показана с левой стороны блока, а результаты обработки - с правой стороны. Механизм (человек или программные средства), который осуществляет операцию, представляется дугой, входящей в блок снизу (рис. 2.6) [76].
Одной из наиболее важных особенностей IDEF0 является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель. Таким образом, вышеописанная методика может быть декомпозирована на 3 обобщенных процесса (рис. 2.7), каждый из которых впоследствии может быть В качестве примера рассмотрим событийную модель аварии на Саяно-Шушенской ГЭС (СШ ГЭС). СШ ГЭС являлась крупнейшей по мощности ГЭС в России. 17 августа 2009 года на станции произошла авария, которую можно классифицировать, учитывая последствия для ТЭК и страны в целом, как крупнейшую индустриальную техногенную катастрофу, или чрезвычайную ситуацию в энергетике.
По данным некоммерческого партнерства "Совет рынка", до 17 августа выработка гидростанций обеспечивала почти 72% сибирского электропотребления, причем 23% приходилось на Саяно-Шушенскую ГЭС. В результате аварии, большая часть нагрузки перешла на тепловые станции (до 47%). Учитывая, что авария произошла в летний период, то есть до начала второго отопительного сезона 2009 года, эксперты предполагали, что негативные последствия на ТЭК (особенно в Сибирском ФО) могут проявиться в полной мере с наступлением холодного времени года, особенно с началом первого отопительного сезона 2010 года. По данным статистики, потребление электроэнергии в первый отопительный сезон зимой 2009 года было выше текущего примерно на 40%. Аналитики предположили, что в отсутствие СШ ГЭС зимой придется замещать около 2-3 ГВт мощностей [77].
Ряд тепловых мощностей в регионе и ранее в маловодные годы замещал гидростанции региона. По данным Минэнерго, для компенсации выхода из строя Саяно-Шушенской ГЭС уже в первые недели после аварии было выведено из резерва 4,7 ГВт мощностей, в основном, на тепловых электростанциях. Незапланированное включение ТЭС могло привести к дальнейшему развитию негативных последствий для энергетической безопасности РФ и её регионов, причем сразу в нескольких направлениях. Во-первых, так как тепловые станции были задействованы задолго до начала второго отопительного сезона 2009 года, в ряде случаев не были проведены плановые ремонтные работы оборудования тепловых станций, что само по себе являлось фактором риска [77]. Во-вторых, кроме неудовлетворительного технического состояния замещающих генерирующих мощностей, могла возникнуть проблема обеспечения их достаточным количеством КПТ, в связи с незапланированным ранним пуском. Дополнительная потребность Сибирского ФО в угле до конца 2009 года оценивалась в 4,5 млн. тонн. Хотя имевшиеся в регионе запасы превышали это число, существовал риск, что в случае аномально холодной зимы может возникнуть дефицит энергоресурсов.
Кроме тепловых электростанций, для замещения потерянных в результате аварии мощностей были задействованы другие ГЭС (Красноярская, Братская, Иркутская). Существовала также техническая возможность перетоков электроэнергии из Казахстана общей мощностью 1,7 ГВт, в том числе 1,5 ГВт в энергозону Сибири [77]. Кроме того, в резерве находился последний из плутониевых реакторов мощностью 150-200 МВт на горно-химическом комбинате в Железногорске (Красноярский край),
Так. как любые значительные незапланированные изменения структуры топливно-энергетического баланса могут привести к катастрофическим последствиям для ЭБ всей страны, исследования возможных вариантов развития ТЭК в сложившейся ситуации весьма актуальны.
Методика интеграции событийного моделирования и индикативного анализа на основе алгебраических вычислительных сетей для оценки уровня энергетической безопасности
Глава посвящена применению предложенного подхода и методики событийного моделирования для проведения вычислительных экспериментов в исследованиях проблемы ЭБ. Автором предлагается методика применения событийных моделей для формирования стратегии вычислительного эксперимента с использованием многоагентного программного комплекса ИНТЭК-М4. Также в главе рассматриваются вопросы создания инструментария для поддержки событийного моделирования в исследованиях ЭБ и интеграции его с разработанным ранее в лаборатории информационных технологий ИСЭМ СО РАН инструментарием.
Далее в главе рассмотрено применение данного подхода при выполнении проектов по грантам РФФИ, РГНФ и гранту Программы Президиума РАН. В последнем разделе главы на конкретном примере рассматривается технология проведения вычислительного эксперимента, в котором результаты событийного моделирования учитываются при формировании стратегий вычислительного эксперимента, выполняемого с использованием ПК ИНТЭК-М.
Формирование стратегий вычислительного эксперимента в многоагентном программном комплексе ИНТЭК-М для исследований проблемы энергетической безопасности Одной из наиболее сложноформализуемых задач, решаемых в процессе исследования ТЭК страны с позиций ЭБ, является формирование сценариев расчетных ситуаций (стратегии вычислительного эксперимента). Целью этого этапа исследования является выработка набора вариантов развития ТЭК, получаемых в результате реализации угроз ЭБ. Полученное множество вариантов в ходе дальнейшего исследования может быть расширено за счет введения дополнительных угроз ЭБ или применения компенсирующих мероприятий. Полученные сценарии (стратегия ВЭ) являются базой для всех дальнейших этапов исследования, так как на основе этих гипотез формируются расчетные варианты модели ТЭК. Результаты решения этой задачи влияют на результаты всего исследования в целом (от качества выполнения этапа формирования сценариев расчетных ситуаций зависит объективность результатов всех следующих этапов) [32]. Необходимость формализации этой задачи раскрывается рядом следующих положений: Ключевая роль этапа формирования сценариев расчетных ситуаций в планировании практически всех остальных этапов ВЭ. Отсутствие инструментария, позволяющего представлять знания исследователя о взаимосвязях событий, реализующих угрозы ЭБ и компенсирующих мероприятий в формализованном виде. Решение этой задачи в основном является результатом мысленной деятельности эксперта и, как правило, нигде не фиксируется. Фактическая невозможность коллективной работы группы экспертов при решении этой задачи приводит к тому, что сформированные сценарии могут быть не объективными. Знания, которыми руководствуется исследователь в процессе решения этой задачи, зачастую интуитивны и являются обобщением его личного опыта, что, с одной стороны затрудняет обучение новых специалистов, а с другой, делает этого эксперта уникальным и единственным носителем этих знаний. Для получения расчетных сценариев, определяющих стратегию проведения вычислительного эксперимента с использованием ПК ИНТЭК-М в исследованиях направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, в данной работе предлагается использовать методический подход к событийному моделированию, описанный во второй главе. В качестве объекта моделирования в данном случае выступает процесс проведения вычислительного эксперимента. В качестве событий модели рассматриваются корректировки (как единичные, так и групповые) экономико-математической модели ТЭК, используемой в ПК ИНТЭК-М. Таким образом, сценарии развития событий, полученные в результаты анализа построенных событийных моделей, будут определять стратегию проведения вычислительного эксперимента. Предлагаемая методика является конкретизацией общей методики событийного моделирования на основе Joiner-сетей, предложенной автором во второй главе. Методика состоит из последовательности этапов, описанных ниже. 1. Формулирование цели исследования и постановка задачи ВЭ. Эксперт в соответствии со своим заданием формулирует цель исследования и производит постановку задачи вычислительного эксперимента. 2. Формирование множества событий, реализующих угрозы ЭБ в соответствии с постановкой задачи. На этом этапе исследователь формирует множество событий, реализующих угрозы ЭБ, описанные в постановке задачи вычислительного эксперимента. 3. Построение событийной карты для ВЭ и получение Joiner-сети для неё. Этот этап выполняется в соответствии с разработанной автором методикой событийного моделирования на основе Joiner-сетей (см. главу 2). 4. Получение множества сценариев развития событий. В результате исследования полученной событийной модели формируется множество сценариев развития событий, которые в данном случае соответствуют расчетным вариантам экономико-математической модели ТЭК. 5. Сопоставление событиям модели качественных или количественных изменений характеристик ТЭК. Каждому событию модели сопоставляются (либо из специальной базы, либо вручную) изменения показателей ТЭК. Расчет значений индикаторов ЭБ с для полученных вариантов. В соответствии с авторской методикой интеграции событийных моделей и алгебраических сетей для расчета индикаторов ЭБ выполняется оценка уровня ЭБ для полученных сценариев развития событий. Выбор сценариев для проведения ВЭ. В процессе выполнения этого этапа анализируется множество полученных сценариев, из него выбираются сценарии, соответствующие постановке задачи и требованиям ЭБ. После завершения этого этапа исследователь может вернуться к предыдущим этапам с целью уточнения постановки задачи, либо внесения изменений в модель.
Построение дерева вариантов экономико-математической модели ТЭК. Результаты, полученные в ходе выполнения предыдущих этапов, передаются в ПК ИНТЭК-М, и на их основе формируется дерево расчетных вариантов экономико-математической модели ТЭК.
Применение предложенного подхода в проектах по грантам РФФИ и РГНФ
Основные компоненты, отраженные на рис. 3.16: CMtoJN - компонент преобразования когнитивных карт в Joiner-сети; JN Uploader - компонент загрузки Joiner-сетей в Репозитарий; Репозитарий — специализированное хранилище метаданных, которое позволяет хранить, находить и использовать метаданные об информационных объектах, базах данных, программных комплексах и др.; JNtoJava - компонент преобразования Joiner-сетей в объекты Java; контроллер - инкапсулирует основную бизнес-логику системы моделирования, изменяет состояние системы, используя, с одной стороны, полученные на предыдущем этапе объекты Java, а с другой, команды, поступившие через пользовательский интерфейс.
Результаты, которые не были включены в диссертационную работу и не защищаются автором, развиваются в рамках проектов по двум последним грантам и в других диссертационных работах, выполняемых в лаборатории Информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН.
Автором разработана методика применения событийных моделей для формирования стратегии вычислительного эксперимента для исследований проблемы энергетической безопасности с использованием многоагентного программного комплекса ИНТЭК-М. Для формализации стратегии ВЭ в работе предложено использовать событийное моделирование на основе Joiner-сетей.
Определён состав программных инструментальных средств поддержки событийного моделирования в исследованиях проблемы ЭБ и проведена реализация рабочего прототипа графической среды событийного моделирования EventMap, включающей в себя реализацию алгоритма перехода от событийных карт к формализованным событийным моделям на основе Joiner-сетей и библиотеку JavaJN, предоставляющую возможность программной реализации Joiner-сетей. Предложено использовать Репозитарий ИТ-инфраструктуры ИСЭМ СО РАН для хранения событийных моделей, разработана соответствующая модель данных.
Рассмотрена технология проведения вычислительного эксперимента, в котором результаты событийного моделирования учитываются при формировании стратегий вычислительного эксперимента, выполняемого с использованием ПК ИНТЭК-М. В работе получены следующие основные результаты: 1. Проведен анализ специфики исследований направления развития ТЭК с учётом требований энергетической безопасности, имеющихся программных средств исследований и технологии вычислительного эксперимента. 2. Предложено использовать событийное моделирование, основанного на использовании аппарата алгебраических сетей, в исследованиях энергетической безопасности. 3. Выполнены аналитический обзор существующих сетевых парадигм и обоснование выбора Joiner-сетей как математического аппарата поддержки событийного моделирования. 4. Предложена методика событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности, основанная на применении аппарата Joiner-сетей. 5. Разработан алгоритм перехода от графического представления событийной модели к ее формализованному представлению на основе Joiner-сетей. 6. Построена алгебраическая вычислительная сеть для расчета индикаторов ЭБ и предложено её совместное использование с событийными моделями для мониторинга уровня ЭБ. 7. Выполнено событийное моделирование катастрофы на Саяно-Шушенской ГЭС с использованием предложенной методики. 8. Предложена методика формирования стратегий вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы ЭБ с использованием событийного моделирования на основе Joiner-сетей. 9. Разработаны состав и требования к инструментальным средствам поддержки событийного моделирования, реализована библиотека EventMap для grModeling, содержащая базовые графические элементы событийных карт и реализующая алгоритм перехода от событийной карты к формализованной событийной модели на основе Joiner-сетей.
