Метод и средства автоматизации построения моделей активных систем Осипенко, Александр Николаевич

Введение к работе

Актуальность темы. Настоящая работа посвящена вопросу автоматизации исследования активных систем (АС) биологической и/или социальной природы. Основное отличие АС состоит в том, что её источник организации, называемый далее сознанием АС, наделён способностью к модификации своей структуры и параметров функционирования, исходя из внутренних потребностей, а вся АС благодаря этому обладает свойством самодеятельности, т е. инициации и реализации нужных для её жизнедеятельности процессов, вероятностный механизм проявления АС, в отличие от более простых систем, представляет собой "игру" не одного ведущего фактора на фоне многих сопутствующих, а сразу нескольких равноправных факторов, одновременно автономных и вігутренне взаимосвязанных некоторой идеей. Данная особенность АС обусловливает более высокий уровень вариабельности её поведения, с которым традиционные средства математического моделирования, как правило, не справляются. С трудом поддаются формализации и автоматизации такие важные этапы исследования, как выяснение идей и мотивов деятельности АС и постановка задачи и ее сові; пенствования. Осознавая реальное разнообразие стратегий поведения АС, пользователь вынужден изначально ограничивать это разнообразие, подстраиваясь под жесткую, и в большинстве случаев закрытую для интенсивных модификаций, конструкцию модели поведения. АС. Одна из основных причин сложившейся ситуации видится в отсутствии эффективной концепции формализации внутренних факторов поведения АС. В этой, связи актуальной является задача переосмысления возможностей традиционных методов моделирования и поиска новых способов формализации жизнедеятельности АС и разработки метода и средств автоматизации её исследования. Ключевым звеном новых методов исследования АС является аппарат моделирования процессов формирования целевого функционирования (ЦФ) и целевых свойств (ЦС) системных объектов. В настоящее время основными методами решения данной задачи являются аналитический и имитационный. Статистический подход к исследованию АС обычно дает прогноз целевого свойства, но не выявляет механизмы его формирования, необходимые для поиска мер оптимизации АС. Проблематичность использования этих методов связана с тем, что АС зачастую не поддается управляемому эксперименту и, следовательно, не позволяет организовать свободный перебор параметров влияния. Одновременно с этим для ряда источников формирования ЦС ключевые параметры или переменные могут оказаться или малодоступными, или давать большую погрешность оценки, приводящую к noiepe адекватности итоговой модели. В связи'с этим актуальной является раїрабог-

ка метода и средств построения па ЭВМ эффективной и управляемой анали-тико-статистической модели формирования ЦС.

Связь с крупными научными программами. Результаты диссертаци
онной работы использовались и следующих научных программах: Целевые
научные программы "Реабилитация загрязненных территорий"
(Госкомчернобыль Республики Беларусь, 1994-1995гг.) и

"Радиоэкологический мониторинг загрязненных территорий БССР" (Госкомчернобыль Республики Беларусь, 199І-1995гг.); Чернобыльская программа сотрудничества КЕС/СНГ: проекты JSP-2 "Система содействия принятию решений для управления послеаварииными ситуациями" и JSP-5 "Анализ формирования дозовых распределений" (1991-1995 гг.).

Цель и задачи исследования. Цель работы состоит в разработке концепции моделирования жизнедеятельности АС на базе функционально-эволюционного подхода и проверке ее работоспособности при автоматизации ориентацнонно-классификационной деятельности исследователя. Для этого необходимо: сформировать универсальную логическую схему жизнедеятельности АС; разработать метод автоматизации моделирования АС^- создать средства и технологию построения моделей регрессионного типа; апробировать созданные метод, средства и технологию на конкретных примерах.

Научная новизна.

1. Предложена формальная схема жизнедеятелыюсти АС в виде рекурсивно организованной сети функционирований с унифицированной структурой. Интерпретируя исследовательскую деятельность с помощью введенной формализации, была получена обобщенная схема элементарного цикла построения модели АС в виде последовательности основных процессов: генерации потоков вариантов заданной формы, интерпретации модельных форм, оценки их качества с последующим отсевом неэффективных вариантов и выделением результирующих моделей.

2. Разработан метод эволюционного конструирования модели (ЭКМ) ре-грессионого типа, отличающийся принципиальной схемой продвижения модели иод управлением балансировочного функционирования вдоль пучка разветвляющихся в точках бифуркации траекторий развития, а также спектрами направлений (элементарных циклов) в точках бифуркации по постановке задач, выборочному описанию, формированию факторов ЦФ и их фактор-признаков, формированию классов-первообразов, объединению их в цепочки, построению итоговой классификации и стратегии балансировки всех процессов .

3. Разработаны два алгоритма классификации объектов и оценки ЦС, конкретизирующие метод ЭКМ применительно к топологической и графовой формам класса. Предложены технологии их использования в рамках созданного программно-технологического обеспечения.

4. Используя схему концептуального представления факторов целевого функционирования и синтеза фактор-признаков метода ЭКМ, построена управляемая динамическая кластерно-регрессионная модель оценки доз внутреннего облучения жителей населенных пунктов.

Практическая значимость.

1. Предложенная формализация АС и метод ЭКМ могут быть использованы в качестве базовой языковой и концептуальной среды для проектирования информационно_:технологических комплексов моделирования реальных АС.

2. Разработанное программно-технологическое обеспечение позволяет реализовывать гибкие технологии построения адекватных и устойчивых классификаций объектов и оценок целевого свойства АС за счет достижения оптимально возможной глубины охвата данных и знаний.

3. Полученная в результате апробации метода ЭКМ статическая КР-модель дозы внутреннего облучения жителей населенных пунктов позволяет, в сравнении с традиционным подходом, существенно повысить точность оценки, не прибегая к дорогостоящим дополнительным измерениям, и может быть рекомендована для составления официального каталога ДВО населенных пунктов на загрязненных радионуклидами территориях Республики Беларусь.

4. Динамическая КР-модель ДВО, благодаря управляемости и контролируемости факторов дозоформирования, является гибким инструментом для разработки мер защиты населения в поставарийный период.

5. КР-модель оценки коэффициента перехода радиоігуклидов из почвы в растение может применяться для эффективной экспресс-оценки данного параметра по доступным показателям сельхозугодий.

6. Предложенный аппарат анализа рабочей нагрузки ВЦКП и выделения эффективных смесей задач и заданий позволяет повысить интенсивность использования ресурсов ВЦ и оптимизировать тактические и стратегические

. планы загрузки ВЦ.

Реализация результатов исследования. В Гжельском госушшерешете результаты работы использовались при выполнении следующих ПНР: 1Т> САПР15 "Разработка и исследование моделей при со їданий ВЦКП, ориентированных на САПР, и реализация их в шще программных модулей", № I 'осре-гнетрации 0260006072; ГБЦ 92-10 "Разработка методологии и средеіп пмип-

циоиного моделирования сложных кибернетических систем с программируемым интеллектом", № Госрегистрации 8310149201; ГБЦ 91-19 "Разработка методов исследования и прогнозирования характеристик объектов, подвергшихся радиационному загрязнению в результате аварии на ЧАЭС для реализации в составе АРМа радиоэколога", № Госрегистрации 01920005008; ХД 81-04 "Разработка и апробация средств исследования и адаптации вычислительного процесса в ЕС ЭВМ под структуру запросов пользователей ВЦКП" № Госрегистрации 02870014036.

Разработанные ПО в виде пакетов прикладных программ внедрено в учебный процесс математического факультета ГГУ им. Ф.Скорины и используется прії проведении лабораторных работ студентов 4-го курса по специальности "Прикладная математика", что подтверждается актом внедрения в учебный процесс ГГУ ППП МОНАДА в 1995г.

В Гомельском филиале ПИКИ РМ и Э результаты диссертационной работы использовались при выполнении следующих программ: Целевая научная программа "Реабилитация загрязненных территорий" №3.11.3 "Оценка доз облучения населения на реабилитируемых территориях", № Госрегистрации 2170012034; "Комплексное исследование в 24 населённы: пунктах Гомельской области", Договор № 07-92, № Госрегистрацин 3140212056; JSP-2 "Система содействия принятию решений для управления послеаварийными ситуациями", tUR16534EN.

Экономическая значимость. Пакет НАР АН внедрен в ИВЦКП ВНТИЦ (г. Москва) с годовым экономическим эффектом от его использования в 30 тыс. рублей (по состоянию на 1989 г.). Реализация результатов подтверждает-ся'следующими документами:

Акт внедрения ППП НАР АН в ИВЦКП ВНТИЦ (г. Москва);

Справка о сдаче в ФАП пакета НАР АН в 1990г.

Построенные па основе кластерно-ретрессионной модели оценки доз ьну.треннего облучения жителей населенных пунктов были учтены при разработке программы реабилитации территорий Чечерского района Гомельской области, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС.

Исходя из целей исследования на защиту выносится:

1. Универсальные схемы описания процессов функционирования и жизнедеятельности активной системы.

2. Метод эволюционного конструирования моделей регрессионного типа.

3. Алгоритмы классификации объектов и прогноза ЦС.

л Проі-раммно-технологическое обеспечение реализации метода.

5. Результаты апробации метода, средств и технологии исследования активной системы при решении задач: построения моделей процессов формирования доз внутреннего облучения и оценки коэффициента перехода радионуклидов из почвы в растение; планирования эффективной рабочей нагрузки ВЦ коллективного пользования.

Личный вклад соискателя. В большинстве совместных работ автор диссертации участвовал в постановке задачи и разрабатывал методики исследования и алгоритмы программ. Кроме того, им реализованы основные алгоритмы классификация и прогноза 111111 МОНАДА и НАР АН.

Апробации работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены па: Республиканском симпозиуме "Методы и программное обеспечение обработки информации и прикладного статистического анализа данных на ЭВМ", (Минск, 1985г.); Республиканской научной конференции "Математическое и программное обеспечение анализа данных" (Минск, 1990); Всесоюзной научно-практической конференции "Вопросы экономики и организации информационных технологий" (Гомель, 1992); Научно-технической конференции стран СНГ "Распознавание образов и анализ изображений" (Минск, 1993); Международных математических конференциях "Проблемы математики и ішформатики"(Гомель, 1994), "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (Курск, 1993), "Компьютерный анализ данных и моделирование", (Минск, 1995); "Актуальные проблемы информатики: математическое, программное и информационное обеспечение", (Минск, 1996); Международном научном "Молодые ученые в решении проблемы ликвидации медицинских последствий Чернобыльской катастрофы", (Гомель, 1994 г.); 4-ой Республиканской научной конференции "Научно-практические аспекты сохранения здоровья людей, подвергшихся радиационному воздействию в результате аварии на Чернобыльской АЭС", (Могилев, 1994г.); Республиканской научной конференции "Медицинские аспекты радиоактивного воздействия на население, проживающее на загрязненной территории после аварии на Чернобыльской АЭС", (Гомель, 1994г.), научно-практической конференции "Медицинские последствия Чернобыльской катастрофы", (Минск, 1997г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах, а также итоговых отчетах ГТУ им.Ф.Скорины и ГФ НИКИ РМиЭ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, списка условных обозначений, пяти глав, выводов, списка использованных неточнії-

ков и шести приложений; изложена на 98 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка, 4 таблицы, 203 наименований литературы, 46 страниц приложений.