Введение к работе
Актуальность темы. Проблема принятия управленческих решений в различных сферах жизнедеятельности человека вышла сегодня на новый уровень сложности. Это обусловлено, в первую очередь, непрерывным увеличением объемов и динамики информационных потоков, требующих тщательного анализа со стороны лица, принимающего решения (ЛПР). При этом возникает острая необходимость решения таких задач, как: системная интеграция разрозненной отраслевой статистики; определение объема и состава первичных данных; автоматизация процедуры сбора первичных статистических данных; определение логической и физической структур хранилища данных; разработка моделей, алгоритмов и другого аналитического инструментария; разработка наглядных способов представления больших статистических массивов и результатов аналитической деятельности. Кроме этого, ЛПР должно учитывать фактор открытости той системы, в рамках которой он принимает управленческие решения. Этот фактор выражается в высокой степени информационного влияния окружающей среды и смежных отраслей деятельности человека. Например, осуществляя мониторинг региональной системы образования, необходимо учитывать не только процессы, протекающие на разных уровнях образовательной системы, но и влияние таких смежных социально-экономических отраслей, как демография, экономика, здравоохранение, рынок труда и др. Кроме этого, важно учесть территориальную специфику региона, включающую административно-политическую, промышленную, климатическую и другие составляющие.
Таким образом, в условиях стремительного роста информационной динамики и структурной сложности современного российского общества крайне актуальной задачей является разработка общих принципов, моделей и методов мониторинга инфраструктур территории с учетом факторов географического местоположения. Под инфраструктурой понимается совокупность отраслей и организаций, входящих в эти отрасли, видов их деятельности, призванных обеспечивать, создавать условия для нормального функционирования производства и жизнедеятельности людей. Важнейшей характеристикой этих методов является их тематическая инвариантность к сферам мониторинга. Это обусловлено тем, что практически в любой социально-экономической системе можно выделить, зафиксировать и использовать общие (с точки зрения принятия управленческих решений) структурные и поведенческие закономерности. Таким образом, речь идет не о рассмотрении каких-либо отдельных отраслей, а об информационной поддержке принятия решений при управлении обширными пространственными средами жизнедеятельности человека – комплексной инфраструктурой территории (КИТ).
При этом основной научной проблемой выступает проблема системной интеграции и использования разрозненной отраслевой статистики в рамках единой межотраслевой многомерной базы данных (БД).
Методологической основой данного диссертационного исследования явились научные труды Д. Л. Арманда, А. М. Берлянта, К. Бержа,
А. М. Бершадского, Л. С. Берштейна, Н. Винера, А. А. Зыкова, Е. Кодда,
С. П. Курдюмова, Я. Е. Львовича, А. М. Ляпунова, И. Пригожина,
В. Б. Сочавы, В. В. Фильчакова, Р. Эшби и др.
Цели и задачи исследования. Целью работы является разработка и обоснование концепции и методов для решения проблемы межотраслевой координации данных и построения систем мониторинга, предназначенных для поддержки управления КИТ с учетом влияния антропогенных, техногенных и природных факторов. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие основные задачи:
1) определить и сформулировать основные теоретические
и понятийные аспекты концепции мониторинга КИТ. Провести анализ существующих современных научных методов и подходов к мониторингу социально-экономических систем (СЭС);
2) разработать многоуровневую математическую модель КИТ;
3) разработать метод автоматизированного оперативного сбора
и многомерного представления данных для системы мониторинга КИТ;
4) разработать метод мониторинга КИТ на основе интеграции технологий оперативно-статистического анализа данных (OLAP), интеллектуального анализа данных (DataMining), пространственного анализа и представления данных (ГИС), обеспечивающий возможность создания и использования межотраслевой многомерной БД, а также тематическую и пространственную инвариантность мониторинга. Разработать соответствующую структурную схему системы мониторинга КИТ;
5) осуществить практическую реализацию концепции и методов мониторинга КИТ в условиях различной тематической и пространственно-временной специфики.
Объектом исследования является совокупность социально-экономических систем, рассматриваемых с учетом окружающих пространственно-географических и антропогенных факторов.
Предметом исследования являются концепция и методы мониторинга КИТ с использованием пространственно-координированных многомерных хранилищ статистических данных, а также интегрированных технологий оперативного, интеллектуального и пространственного анализа данных.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории управления, теории графов, геоинформационных технологий, оперативной аналитической обработки данных (OLAP), интеллектуального анализа данных (Data Mining), объектно-ориентированного проектирования, системного анализа и системотехники.
Научная новизна.
1. Впервые предложено понятие комплексной инфраструктуры территории (КИТ) как совокупности антропогенных, техногенных и природно-географических систем, представляющих собой управляемую, системную целостность в рамках выбранного пространственно-временного масштаба. Первоочередную важность в понятии КИТ в отличие от существующих понятий, отражающих связь между природными и антропогенными системами, имеет информационная составляющая
в социально-экономических инфраструктурных процессах, что имеет особое значение для задач информатизации управления, поддержки ЛПР и в соответствующих информационно-аналитических исследованиях.
2. Впервые предложены концепция и методы мониторинга КИТ, основанные на принципах тематической инвариантности к сфере мониторинга, открытости и взаимозависимости различных социально-экономических отраслей и их связи с территориальным аспектом.
3. Разработана многоуровневая математическая модель КИТ, использующая предложенные, принципиально новые виды операций над гиперграфами: динамическую реструктуризацию структуры гиперребер и установку множественности слоев структуры гиперребер, что позволяет формализовать и учитывать в реальном режиме времени мониторинга специфику различных точек зрения, критериев и целей управления.
4. Предложена структурная схема системы мониторинга КИТ, обеспечивающая интеграцию технологий OLAP, DataMining, ГИС для научно-практического решения проблемы межотраслевой интеграции, обработки и представления статистических массивов данных.
5. Разработаны системы информационно-аналитической поддержки процессов управления для различных социально-экономических отраслей в рамках КИТ. Показана тематическая (отраслевая) инвариантность предлагаемой концепции, а также масштабируемость предлагаемых методов мониторинга для решения задач управления в социально-экономической сфере на разных территориальных уровнях.
Практическая ценность результатов.
1. Решена практическая проблема системной интеграции разрозненной отраслевой статистики, различных подходов к сбору, хранению и обработке первичных данных в рамках единой межотраслевой многомерной базы данных, построенной на основе концепции КИТ. Широкий спектр экспериментальных исследований, практическое воплощение разработанной концепции в различных социально-экономических отраслях и на разных территориях доказывают преимущества применения результатов диссертации при решении комплексных задач управления. Решение проблемы позволяет внести значительный вклад в развитие экономики страны.
2. Предложенные модели, методики и алгоритмы мониторинга КИТ позволили решить ряд важных практических задач, таких как:
информационно-аналитическая поддержка принятия управленческих решений и мониторинг состояния системы общего образования на различных территориально-иерархических уровнях (район, город, субъект Федерации и т.д.) с учетом обстановки в смежных социально-экономических отраслях и территориальной специфики;
оценка качества подготовки специалистов (выпускников вузов) с учетом формализованных потребностей и специфики региональных рынков труда;
информационно-аналитическая поддержка принятия управленческих решений и мониторинг деятельности российской системы послевузовского образования с учетом критических технологий и приоритетных направлений развития науки и технологий в РФ, а также факторов отраслевой специфики научных специальностей;
мониторинг готовности государственных и муниципальных служащих, а также населения субъектов Федерации к внедрению технологий электронного правительства в деятельность органов государственной власти;
сбор и аналитическая обработка данных для поддержки процессов управления инженерно-техническими коммуникациями в сферах регионального жилищно-коммунального хозяйства.
3. Предложенные методы реализованы на программном уровне и апробированы при решении задач управления и мониторинга КИТ как в региональном масштабе (Тамбовская обл., Воронежская обл., г. Пенза,
г. Кузнецк), так и в масштабе Российской Федерации, что подтверждает их тематическую инвариантность, масштабируемость и эффективность при адаптации к различному территориальному масштабу и различной специфике задач управления.
Реализация и использование результатов работы. Работа выполнена на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» Пензенского государственного университета (ПГУ) на основе результатов 18 НИР. В частности, при выполнении Федеральных и Ведомственных целевых программ (заказчик – Минобрнауки РФ) в рамках проектов: «Разработка принципов организации, мониторинга, анализа и прогнозирования развития системы аспирантур и докторантур в российских вузах для обеспечения приоритетных направлений развития экономики, техники и технологии» (2009–2010); «Исследование методов и принципов управления информационными процессами в сенсорных и ячеистых сетях нового поколения» (2009–2010); «Разработка научных основ теории синергетического управления информационными процессами» (2009–2010); «Исследование синергетических процессов в информационных сетях и образовательных системах» (2008–2009); «Совершенствование управления сферой образования на основе развития сервисов системы информационно-аналитической поддержки принятия решений и его системно-технического сопровождения» (2008) и др.
Основные положения диссертационной работы внедрены в Управлении образования г. Пензы, в Администрации Тамбовской области, в Администрации Воронежской области, в ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика», в МУП «Гортеплосеть» г. Кузнецка Пензенской обл. Использование результатов подтверждено соответствующими актами внедрения.
Научные и практические результаты работы включены в ряд курсов лекций на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» ПГУ, использованы в лабораторных практикумах, курсовом и дипломном проектировании. Учебные пособия «Сетевые технологии» и «Геоинформационные технологии и системы» имеют гриф УМО вузов РФ по направлению «Информатика и вычислительная техника».
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах различного уровня. В том числе 41 доклад на международных конференциях,
12 докладов на всероссийских и 5 докладов на региональных конференциях и семинарах. В частности: «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+SE» (Ялта – Гурзуф, 1998–2005, 2007–2010); III Международная научно-практическая конференция «Информационная среда вуза XXI века» (Петрозаводск, 2009); Всероссийская научно-методическая конференция «Телематика» (С.-Петербург, 1998, 2009, 2010); Международная научно-методическая конференция «Университетское образование» (Пенза, 1998–2003, 2009, 2010); IV Всероссийская конференция «Информационные технологии в управлении образованием» (Псков, 2007); Международная конференция «Информационные технологии в образовании, технике и медицине» (Волгоград, 2004); XV Международный симпозиум «Медико-экологическая безопасность, реабилитация и социальная защита населения» (Италия, 2004); III Всероссийская научно-техническая конференция «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2002); Всероссийская конференция «Современная образовательная среда» (Москва, 2001).
На защиту выносятся:
1. Понятие комплексной инфраструктуры территории как совокупности антропогенных, техногенных и природно-географических систем, представляющих собой системную целостность в рамках выбранного пространственно-временного масштаба.
2. Концепция мониторинга КИТ, базирующаяся на принципах тематической инвариантности к сфере мониторинга, открытости и взаимозависимости слоев инфраструктуры, неразрывной связи с территориальным аспектом КИТ.
3. Многоуровневая гиперграфовая математическая модель КИТ, обладающая такими отличительными особенностями, как: динамическая реструктуризация структуры гиперребер, множественность слоев структуры гиперребер, пространственная привязка.
4. Метод мониторинга КИТ на основе интеграции технологий OLAP, DataMining, ГИС, обеспечивающий возможность создания и использования межотраслевой многомерной БД, а также тематическую и пространственную инвариантность мониторинга.
5. Метод автоматизированного оперативного сбора и многомерного представления данных для системы мониторинга КИТ, позволяющий автоматизировать этапы инвентаризации, поиска источников данных и организационно-технического сбора данных.
6. Структурная схема системы мониторинга КИТ, реализующая метод интеграции технологий OLAP, DataMining, ГИС для целей научно-практического решения проблемы межотраслевой обработки и представления статистических массивов данных.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 105 работ, в том числе 1 монография, 7 учебных пособий, 18 научно-исследовательских отчетов. 10 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для защиты докторских диссертаций. Наиболее значимые работы перечислены в списке публикаций.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложенных на
362 страницах, списка литературы из 198 наименований, 1 приложения, содержит 80 рисунков и 25 таблиц.
