Введение к работе
Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первым из них является значимость исследований проблем развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) и его подсистем. Исследования носят интеграционный многовариантный характер, т.е. исследователи, как правило, формируют множество вариантов исходных данных, рассчитывают их и выполняют анализ решений для каждого варианта.
Традиционно для исследований проблем развития ТЭК и его подсистем в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и информационные системы. Постановки задач системных исследований в энергетике формулировались в работах Л.А. Мелентьева, А.А. Макарова, А.П. Меренкова, Ю.Д. Кононова, Л.Д. Криворуцкого, Б.Г. Санеева и др. Были реализованы версии программного обеспечения для автоматизации исследований направлений развития ТЭК под руководством И.А. Шера, Э.Н. Яськовой, Г.Н. Волошина, Г.Н. Антонова, Л.В. Массель и др.
Второй фактор обусловлен необходимостью графического отображения информации для поддержки принятия решений в энергетических исследованиях, а также появлением и развитием нового поколения средств ЗО-визуализации объектов и процессов, локализованных в пространстве и времени.
Существенную роль для принятия решений в любых исследованиях, оперирующих геопространственными данными, в том числе и систем энергетики, играет визуализация информации. Большинство энергетических объектов, процессов и величин, имеющих географическую привязку, отображаются в традиционных геоинформационных системах (ГИС). Применения ГИС для исследований различных предметных областей рассматривались в работах Бычкова И.В., Добрецова Н.Н., Кошкарева А.В., Серебрякова В.А., Ружникова Г.М., Якубайлика О.Э., Поповой О.М., Федорова Р.К. и др.
Происходящие в наши дни глубокие изменения в принципах, методах и технологиях работы с геопространственной информацией направлены на обеспечение нового качества процесса восприятия данных. Появление нового поколения средств и методов обработки геопространственной информации (геосервисов) может обеспечить поддержку процесса принятия решений для некоторых задач уже на уровне визуализации или отображения. Если визуальной информации недостаточно для принятия решения, изображение можно дополнить расчетными данными или другими обоснованиями.
Лидером в области создания и развития геосервисов являются продукты компании Google сервисы Google Maps и Google Earth. Однако в последнее время серьезное развитие получили геосервисы компаний Nasa (World Wind), Erdas (Titan), Microsoft (Virtual Earth и Bing Maps) и другие.
Преимуществом перечисленных геосервисов является новое качество визуализации, которое появляется в результате объединения нескольких уже известных технологий. Этот подход получил название "Situational Awareness" (Ситуационная осведомленность) - в России используется как синоним термин "неогеография". В основе подхода лежит принцип комплексного представления
разнородной информации в едином информационном пространстве в геоцентрической системе координат. В работе ситуационная осведомленность используется как инструмент ситуационного анализа в энергетике, который, в свою очередь является составляющей системного анализа.
Учитывая, что новые термины «Situational Awareness» и «Неогеография» еще не привычны и неоднозначно воспринимаются специалистами, автором было предложено использовать более устоявшийся термин «ЗО-геомоделирование», считая его синонимом термина «Неогеография», который впоследствии был заменен более точно характеризующим суть данной работы термином «ЗО-визуализация».
Направление, связанное с применением ЗО-визуализации (неогеографии) для отображения информации, развивается Клименко СВ., Еремченко Е.А., Леоновым А.В., Захаровой А.А., Дмитриевой В.Т. и др.
Принципиальными отличиями нового подхода от предыдущих (ГИС и карт) являются отказ от картографических проекций, использование высокоточных растровых спутниковых изображений и открытых гипертекстовых форматов хранения данных. Это дает определенные преимущества, такие, как хранение информации в геоцентрической системе координат, гарантирующей уникальность ее локализации, обеспечение естественного представления трехмерного пространства без утраты метрической достоверности (за счет того, что средства измерения интегрированы в интерфейс управления) и появление среды для создания и агрегации геоданных.
Исходя из вышесказанного, геосервисы представляют собой один из важных компонентов систем поддержки принятия решений. Они могут использоваться как на уровне экспресс-анализа, для быстрого формирования решений, так и на уровне глубокого анализа ситуации.
В то же время применение новой технологии для решения прикладных задач требует разработки как методического подхода, так и новых программных инструментальных средств, обеспечивающих использование универсальных геосервисов специалистами прикладных областей.
Объектом исследования является информационная технология исследований и поддержки принятия решения в энергетике.
Предметом исследования являются методы отображения информации на основе технологии ЗО-визуализации и методы построения нового инструментария для исследований и обоснования решений в энергетике.
Цель диссертационной работы: разработка нового методического подхода к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике на основе технологии ЗО-визуализации, а также реализация инструментальных средств его поддержки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: Выполнить анализ предметной области (исследований систем энергетики) и
существующего инструментария исследований и анализ применения ЗО-визуализации в других предметных областях.
Разработать новый методический подход к визуализации информации в исследованиях и обосновании решений в энергетике, основанный на авторской методике ЗО-визуализации.
Разработать требования к новой технологии и инструментарию, системно-концептуальные соглашения при разработке нового инструментария и обосновать выбор базовых технологий.
Спроектировать архитектуру и интерфейс базового инструментального средства для поддержки авторской методики с учетом интеграции с другими программными компонентами.
Выполнить постановку и решение задач визуализации результатов конкретных исследований в энергетике. Разработать инструментальные средства для решения прикладных энергетических задач на основе базового средства.
Обосновать использование новых инструментальных средств на основе ЗО-визуализации как инструмента поддержки принятия решений в области энергетики.
Научная новизна. Новизну составляют и на защиту выносятся впервые предложенные:
1. Методический подход к визуализации в исследованиях и обосновании решений
в энергетике, включающий:
обоснование целесообразности использования для поддержки принятия решений в энергетике принципов сетецентричности, характеризующихся реализацией режима ситуационной осведомленности и применением технологии ЗО-визуализации;
методические принципы использования ситуационной осведомленности (Situation Awareness) как инструмента ситуационного анализа в энергетике, являющегося составляющей системного анализа;
методика ЗО-визуализации, интегрирующая авторские методику адаптации результатов исследований в энергетике и методику формирования геоданных для геосервисов.
2. Совокупность программных инструментальных средств для ЗО-визуализации в
исследованиях и обосновании решений в энергетике, включающая:
базовое инструментальное средство (Геокомпонент), поддерживающее предложенную методику ЗО-визуализации;
специализированные инструментальные средства на основе Геокомпонента для ЗО-визуализации результатов решения энергетических задач.
3. Технология применения ЗО-визуализации для исследований и обоснования
решений в энергетике, основанная на использовании авторских методик и
инструментальных средств.
Практическая значимость. Предложенный методический подход и разработанные инструментальные средства применены для визуализации результатов решения следующих задач в энергетике при выполнении соответствующих хоздоговорных работ (имеются акты о внедрении):
-
визуализация количественных и качественных показателей энергетической безопасности, как на уровне отдельных индикаторов, так и по стране в целом;
-
получение профиля трассы и протяженности участков с различными горногеологическими условиями строительства для обоснования маршрутов газопроводов;
-
отображение полей выбросов вредных веществ в атмосферу объектами энергетики.
Результаты диссертационной работы применены при выполнении:
проекта СО РАН № IV.31.2.13 «Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № IV.31.2. «Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия» (2010-2012).
проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности» по гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2012);
проектов по грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-00264 (2010-2012), №11-07-00192 (2011-2012), №12-07-00359 (2012) и №12-07-00439 (2012);
Результаты диссертационной работы были включены в разработку «Интеллектуальная инструментальная среда для поддержки принятия решений при обосновании вариантов развития топливно-энергетического комплекса Иркутской области с учетом требований энергетической безопасности», которая стала лауреатом областного конкурса в сфере науки и техники 2012 года в номинации «За лучшие научные, научно-технические и инновационные разработки молодых ученых».
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Computer Science and Information Technologies", Москва- Санкт-Петербург, 2010 г.; международной конференции «Геоинформатика: технологии, научные проекты», г. Барнаул, 2010 г.; международной конференции MEDIAS - 2012, Лимасол (Кипр), 2012 г.; Всероссийской конференции «Винеровские чтения», г. Иркутск, 2011 г.; XV - XVII Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2010-2012 гг., Российско-монгольской конференции молодых ученых по математическому моделированию, вычислительно-информационным технологиям и управлению, Иркутск (Россия) - Ханх (Монголия), 2011 г., конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2010-2012 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 диссертации опубликованы десять работ, в т.ч. две в журналах, рекомендованных ВАК, одна - в коллективной монографии, три - в трудах международных конференций.
