Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Географические информационные системы (ГИС) в настоящее время находят широкое применение в различных сферах деятельности человека. Анализ современных полнофункциональных ГИС (ArcGIS, ERDAS, GeoMedia, Онтомап и др.), а также технологий их проектирования и реализации, показывает, что немаловажную роль на различных стадиях их жизненного цикла играют сценарные языки программирования. Многие задачи, возникающие при разработке и эксплуатации ГИС, решаются с помощью сценариев - программ, написанных на сценарных языках. Среди этих задачи: автоматизация процесса настройки и связывания готовых модулей для получения конечного решения ГИС под определенный класс задач и пользователей (XML, Groovy и др.); автоматизация процессов обработки геопространственных данных (Python и др.); геоинформационное моделирование сложных процессов и ситуаций, происходящих во времени, для выработки и обоснования управленческих решений (DroolsTabScene); настройка графического интерфейса ГИС под конкретные требования пользователя (VBScript, JavaScript, XML и др.) и другие.
Характерными особенностями сценарных языков являются простота, динамическая типизация, интерпретируемость, заимствование элементов различных парадигм программирования, возможность быстрой интеграции с программами, написанными на других языках, динамическая кодогенерация. Среди сценарных языков можно выделить языки общего назначения, командно - сценарные, языки разметки, но особенную актуальность для ГИС на сегодняшний день имеют прикладные (предметно-ориентированные) сценарные языки, описываемые на основе онтологий и имеющие графический синтаксис. Эти языки получили в последнее время популярность в области создания и применения интеллектуальных ГИС для геоинформационного моделирования сложных процессов.
Важной проблемой при разработке сценариев для геоинформационного моделирования сложных процессов в ГИС является сокращение затрат и снижение вероятности допущения ошибок со стороны программистов. Один из подходов к ее решению заключается во внедрении в инструментальные средства различных элементов интеллектуальной поддержки процесса разработки. Среди таких функций следует отметить автоматическое завершение и вставка заготовок или шаблонов. Однако существующие инструментальные средства или совсем не содержат такого рода функций или при осуществлении интеллектуальной поддержки в недостаточной степени учитывают опыт, который накапливается в процессе разработки в виде готовых сценариев. Входящие в их состав текстовые или графические редакторы либо ограничиваются только автодополнением отдельных слов, либо при формировании списка для завершения руководствуются лишь синтаксисом языка, не учитывая другие закономерности, которые неявно присутствуют в уже разработанных сценариях. Это же относится и к вставке шаблонов, которые требуется предварительно вручную определять, хотя возможно их автоматическое извлечение из уже имеющихся сценариев.
Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности разработки сценариев для геоинформационного моделирования сложных процессов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели требовалось создать специальное математическое и программное обеспечение интеллектуальной системы разработки сценариев, позволяющей автоматически анализировать сценарии, извлекать знания из них и осуществлять поддержку разработки новых с учетом накопленного опыта. Для этого необходимо было решить ряд частных задач:
-
Проанализировать технологии и инструментальные средства проектирования и разработки сценариев для ГИС, а также методы и алгоритмы интеллектуального анализа и извлечения знаний из сценариев.
-
Предложить структуру интеллектуальной системы разработки сценариев.
-
Предложить алгоритм поиска шаблонов разработки сценариев на основе методов интеллектуального анализа графов.
-
Разработать алгоритм извлечения знаний из сценариев на основе структурного обучения марковских логических сетей (МЛС).
-
Реализовать разработанные алгоритмы, а также спроектировать программную архитектуру интеллектуальной системы разработки сценариев.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории искусственного интеллекта, математической статистики, элементы теории графов и теории множеств. При разработке программного обеспечения использовались технологии объектно-ориентированного анализа и проектирования.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Алгоритм поиска шаблонов разработки сценариев на основе адаптации алгоритма gSpan извлечения частых подграфов во множестве графов.
-
Алгоритм автоматического извлечения знаний из сценариев на основе структурного обучения марковской логической сети.
-
Программная архитектура интеллектуальной системы разработки сценариев.
Научная новизна:
-
-
-
Новизна первого результата заключается в применении и модификации известного алгоритма gSpan для решения задачи поиска шаблонов разработки сценариев в предлагаемой интеллектуальной системе. Модификация предусматривает добавление проверки устойчивости подграфов при поиске шаблонов.
-
Впервые предложен подход к интеллектуальному анализу сценариев на основе структурного обучения марковских логических сетей, применение которых позволяет учитывать неполноту и противоречивость при
моделировании извлекаемых знаний.
-
-
-
Отличие разработанного алгоритма структурного обучения МЛС от известных состоит в том, чтобы перебор формул при построении МЛС осуществляется в пределах часто повторяющихся групп связанных объектов, которые предварительно формируются с помощью алгоритмов извлечения частых подграфов. Такой подход позволяет сократить пространство поиска при обучении.
-
Новизна программной архитектуры интеллектуальной системы разработки сценариев заключается во введении новых конструктивных программных компонентов, реализующих предложенные алгоритмы, и установлении связей этих компонентов с известными блоками.
Обоснованность и достоверность научных положений, основных выводов и результатов диссертации обеспечивается за счет анализа современного состояния исследований в области проектирования и разработки сценариев для ГИС, согласованности теоретических выводов с результатами экспериментальной проверки на наборах сценариев, разработанных в СПИИРАН, а также апробацией основных теоретических положений диссертации в печатных трудах и докладах на международных научных конференциях.
Практическая ценность работы. В результате выполнения работы программно реализована интеллектуальная подсистема разработки сценариев для ИГИС (интеллектуальной ГИС). Разработанная система внедрена и используется в ряде НИОКР:
-
-
-
-
«Разработка оперативно-тактического тренажерного комплекса» (шифр - «Автоматизм»). Работа доведена до уровня серийного образца;
-
«Разработка автоматизированной геоинформационной системы для решения задач мониторинга дна моря в пунктах базирования сил ВМФ» (шифр - «Галтель - Алеврит»).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международном семинаре IF&GIS «Интеграция информации и геоинформационные системы» (Санкт-Петербург, 2009 год), Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2010 год), конференции «Информационные технологии в управлении» (Санкт- Петербург, 2012 год), а также использовались в СЧ НИР «Обоснование состава, технических требований, вариантов построения и размещения интегрированных систем защиты объектов ОАО «Газпром», эксплуатируемых в шельфовых и морских зонах» («Интеграция - НТБВТ»).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, включая 2 публикации в научных журналах, рекомендованных ВАК («Труды СПИИРАН» и «IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine»).
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, включающего 110 наименований и двух актов о внедрении полученных результатов. Общий
объем работы составляет 129 страниц, в том числе 36 иллюстраций и 9 таблиц.
Похожие диссертации на МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАЗРАБОТКИ СЦЕНАРИЕВ ДЛЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ПРОЦЕССОВ
-
-
-
-
-
-
-
-
