Методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально - организационного содержания распределенных геоинформационных систем управления тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Алексеев, Игорь Борисович

• Алексеев, Игорь Борисович
• кандидат технических наук
• 2008

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально - организационного содержания распределенных геоинформационных систем управления»

Актуальность темы

Современный этап развития общества характеризуется ужесточением требований к достоверности и оперативности управленческих решений, принимаемых должностными лицами министерств, ведомств, крупных государственных и корпоративных структур (далее - ведомства). Ключевой особенностью такого управления является функционирование управляющих систем в условиях неполноты и неточности фактурной и процедурной информации.

Особенно актуальным этот вопрос является для ведомств повышенной ответственности, где ошибки управления могут привести к возникновению особых, специальных, нештатных ситуаций (не обязательно чрезвычайных), где управляющие воздействия вырабатываются на основе обработки больших массивов информации, в жестких временных рамках и сложных условиях (МЧС России, Пограничные войска ФСБ России, Минобороны России, МВД России). В данных ведомствах разработаны и реализуются специальные программы по автоматизации процессов управления, например, программа «Государственная граница Российской Федерации», предусматривающая повышение уровня автоматизации Пограничных войск ФСБ России.

Автоматизированные расчетно-информационные системы рассматриваемых ведомств имеют ряд особенностей по сравнению с аналогичными системами других ведомств, что обусловлено, в первую очередь, использованием для управления единого!, постоянно обновляемого2, гибкого к изменениям внешней среды и управляемо-гоЗ геопространства. Свое влияние на процесс выработки управляющих воздействий этот фактор оказывает посредством привлечения к управлению количественно - качественных результатов решения множества информационно-расчетных задач (ИРЗ) и выводов из анализа текущей и прогнозируемой геоинформационной обстановки.

Данные распределенные автоматизированные расчетпо-информационные системы управления ведомствами повышенной ответственности являются областью исследования диссертационной работы. В дальнейшем такие системы будем называть геоинформационными системами управления (ГСУ). Распределенные геоинформационные системы управления - это информационно - расчетные системы, у которых рабочей средой являются геоинформационные технологии, а выходные результаты, обеспечивающие выработку управляющих воздействий, представляются как в виде непосредственных геопространственных данных, так и в виде картографической и расчетной информации, полученной после их обработки.

Геоинформационные технологии являются геоипформационным инструментарием ГСУ. В настоящее время эти технологии объединены в так называемые геоинформационные системы (ГИС), которые решают задачи сбора, генерации, хранения, предварительной обработки, поиска, передачи, представления и воспроизведения геоинформации [78], [79].

1. Под единством геоинформационного пространства понимается распространение его свойств на всю распределенную ведомственную структуру управления.

2. Постоянство обновления обеспечивает соответствие данных о геоинформационной обстановке на период осуществления управленческих действий.

3 .Гибкость к внешней среде и управляемость виртуального геоинформационного пространства -возможность разнообразного использования информации о местности и оперативной обстановке и перемещения в пространстве в произвольных направлениях

ГСУ можно характеризовать совокупностью двух ее составляющих (двух характеристик): архитектура (структура и состав) и функциональное содержание. Первая характеристика адекватна ведомственной идеологии автоматизации и определяется перечнем автоматизируемых звеньев управления и территориальных подразделений ведомства, а также степенью их автоматизации; вторая характеристика - множество информационных и расчетных задач управления (ИРЗ), их комплексирование, важность для пользователя, особенности и порядок решения и представления выходных данных.

По результатам анализа этих двух характеристик ГСУ можно достаточно обоснованно принимать решение о целесообразности ее создания и развертывания. Однако, даже в случае положительного ответа на данный вопрос, приступать к непосредственной разработке системы было бы преждевременным, так как вывод о целесообразности ее создания не подкреплен уверенностью в возможности практической реализации функционального содержания в разумных стоимостных и временных ограничениях. Отсутствуют ответы на вопросы:

- о выборе наиболее эффективной организации и параметров процесса разработки ИРЗ. В зависимости от количественно-качественного состава привлекаемого коллектива специалистов может быть выбран последовательный, параллельно - последовательный или параллельный методы работы по автоматизации отдельных подмножеств задач и задач внутри каждого подмножества;

- о порядке разработки ИРЗ, обеспечивающей минимум возможных корректировок при использовании выходных и промежуточных результатов решения одних задач задачами - потребителями этих данных.

Иными словами неясно организационное содержание ГСУ, то есть оптимальная организация работы по автоматизации функционального содержания системы.

Можно констатировать, что в отличие от функционального содержания, которое определяет перечень и важность задач управления при эксплуатации ГСУ, особенности видов обеспечения и служит основой для разработки нормативно-директивных документов по се целевому использованию, организационное содержание определяет организацию и характеристики процесса создания системы.

Создание ГСУ, являющихся содержанием области исследования диссертационной работы, требует разработки новых инструментов (новых методов и алгоритмов) определения этих характеристик системы.

Отсюда, предмет исследования диссертационной работы формулируется следующим образом: методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально — организационного содержания распределенных автоматизированных геоинформационных систем управления. Исследования по их разработке осуществляются в научно - методической среде теории системного анализа, оптимизации, управления, принятия решения и обработки информации, а также методов и алгоритмов получения, анализа и обработки экспертной информации.

Степень разработанности темы

Методы проектирования АСУ, еще недавно широко распространенные в инженерной практике, сводились, по существу, к двум обобщениям: прецедентному методу, основанному на использовании уже апробированных решений для автоматизации своего ведомства, и методу проектирования, предусматривающему автоматизацию сложившейся последовательности действий ведомственных органов управления в неавтоматизированном режиме. Однако данные методы, с одной стороны, не могут в полной мере учесть специфику работы ведомства в автоматизированном режиме, и, с другой стороны, не используют возможности, которые предоставляют методы проектирования с более глубокой научной проработкой.

Основные принципы создания автоматизированных систем управления, не потерявшие актуальность и в наше время, были сформулированы более 30 лет назад. Среди наиболее употребительных и методологически полно проработанных подходов к проектированию, разработанных на основе данных принципов, можно выделить системный, объектно - ориентированный и концептуальный подходы. Сравнительный анализ названных подходов показал, что наиболее приемлемым для целей проектирования ведомственных ГСУ является объектно - ориентированный подход, а эффективными методами его реализации: в части определения архитектуры системы -метод анализа иерархий; в части определения функционально - организационного содержания системы - экспертный метод с организацией экспертного опроса по способу Дельфи.

Рассмотрению методов и алгоритмов определения архитектуры АСУ посвящено достаточно много теоретических исследований, например, таких как [2] - [7], [24] -[29], [35], [36], [38], [39], [46]. Большинство этих работ носят общетеоретический характер, анализируют и рассматривают преимущественно методологические основы различных подходов к проектированию. В' лучшую сторону, с точки зрения возможности практического использования для проектирования архитектуры ГСУ, можно отметить работы [7], [46]. Однако и у этих авторов основное внимание уделено обобщенным иерархическим схемам целен, обеспечивающих решение крупных хозяйственных проблем типа «обеспечение энергетической безопасности страны», «планирование роста народонаселения» и т. п. Рассмотрение же вопросов поиска архитектур ведомственных автоматизированных систем отсутствует и здесь.

В основе методов и алгоритмов определения функционально - организационного содержания ГСУ лежит методология экспертного опроса, изложенная во многих источниках, например, в [8] - [10], [48] - [55]. В них рассмотрены подходы к организации экспертизы, методы опроса для различных условий их проведения, методы оценки экспертных мнений. Однако необходимость оценки организационного содержания ГСУ как логического продолжения результатов оценки ее функционального содержания требует разработки и реализации новых подходов и новых методик оценки.

Цель и задачи исследования

Как известно [1], причинно-следственная связь предмета исследования и цели исследования выражается в определенном корреляционном соответствии между ними, поэтому наиболее логично цель исследования сформулировать следующим образом: создание методического аппарата разработки распределенных автоматизированных геоинформационных систем управления, обеспечивающего повышение степени формализации и унификации данного процесса.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих основных задач:

1. Исследование целесообразности применения иерархического метода анализа сложных систем для достижения цели работы.

2. Анализ и выбор методов экспертного анализа, обеспечивающих достижение цели исследования.

3. Анализ отечественных и зарубежных геоинформационных систем, определение целесообразности их использования, роли и места в составе ГСУ.

4. Обоснование показателей, критериев и нового подхода к определению квалификационных рангов экспертов.

5. Обоснование показателей функционального и организационного потенциалов автоматизируемых задач.

6. Разработка методического аппарата, методик и алгоритмов определения архитектуры и функционально-организационного содержания ГСУ.

7. Апробация полученных результатов на примере разработки конкретной ГСУ.

Результаты, выносимые на защиту

1. Методика определения архитектуры ведомственных ГСУ, обеспечивающие повышение научной обоснованности и степени формализации процесса их создания.

2. Методический аппарат определения функционально - организационного содержания ГСУ, объединяющий процессы поиска этих составляющих в единую логическую последовательность отдельных методик и алгоритмов при обеспечении доминирующей роли первой из них.

3. Новый подход и индивидуально-групповой показатель оценки компетентности экспертов, позволяющий повысить обоснованность процесса формирования экспертной группы, а также обеспечить увеличение скорости сходимости экспертного процесса и точности групповой оценки индивидуальных мнений.

4. Показатели функционального потенциала ИРЗ, служащие регулятором видов обеспечения и организующим элементом формирования нормативно-справочной базы процесса эксплуатации ГСУ.

5. Показатели организационного потенциала, донорской и клиентской характеристик ИРЗ, определяющие параметры процесса их разработки.

6. Результаты практической апробации методов и алгоритмов определения архитектуры п функционально-организационного содержания конкретной ГСУ.

Научная новизна результатов

В результате выполнения диссертационной работы были разработаны методические и практические основы определения архитектуры и функционально - организационного содержания ГСУ, а именно:

1. Методы и алгоритмы определения архитектуры и функционально-организационного содержания ГСУ, нашедшие свое практическое воплощение в виде:

1.1. Методики определения архитектуры ведомственных ГСУ, отличающейся от известных практической реализацией принципов объектно-ориентированного проектирования методом анализа иерархий;

1.2. Методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ведомственных ГСУ и последующего определения на этой основе параметров эксплуатации, а также характеристик процесса организации разработки задач.

2. Новый индивидуально-групповой показатель компетентности экспертов, учитывающий априорную информацию о количественно - качественном составе экспертной группы.

3. Новый показатель функционального потенциала информационно - расчетных задач.

4. Новый показатель организационного потенциала информационно - расчетных задач.

Предложенные показатели компетентности экспертов, функционального и организационного потенциалов ИРЗ служат определяющей основой методического аппарата поиска функционально - организационного содержания ГСУ.

Практическая ценность и внедрение результатов

Решение в диссертационной работе вышеуказанных задач позволит практически осуществить:

1. Повышение обоснованности определения целесообразности создания и параметров разрабатываемых ГСУ за счет совместного, в едином технологическом цикле рассмотрения вопросов поиска архитектуры, функционального и организационного содержания системы.

2. Формализацию учета индивидуальных особенностей ведомственных ГСУ в целом и их структурных подразделений при разработке технической документации на создание системы.

3. Повышение эффективности разработки и эксплуатации ГСУ, подготовки директивных, нормативных и других руководящих документов, регламентирующих данные процессы.

4. Исключение технологических задержек при переходе к непосредственной разработке ГСУ после принятия решения на ее создание.

Практическая ценность разработанных методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально-организационного содержания ГСУ подтверждается внедрением полученных результатов в следующие проекты и организации:

- в Министерство промышленности и энергетики Российской Федерации, государственный контракт № 6410.0810000.06.096 от 1 ноября 2006 г. па выполнение ОКР «Разработка отечественной технологии комплексной обработки геоинформации для электронных систем двух и трехмерного отображения обстановки и местности». Головной исполнитель - Институт проблем информатики РАН;

- в Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИ-ГАиК) - при разработке курса лекций по специальности «Информационные системы» и при выполнении НИР по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2006 - 2008 годы)»;

- в заказывающую организацию одной из силовых структур (войсковая часть 34434) при разработке специализированной ГСУ.

Практическая значимость и внедрение полученных автором результатов подтверждены соответствующими документами.

Апробация работы и публикации

Апробация разработанных методов и алгоритмов определения архитектуры и функционально - организационного содержания распределенной ГСУ была проведена в ходе разработки такой системы для районного звена управления конкретного ведомства повышенной ответственности, выполняющего свои функции в сложных условиях горной местности. Полученные результаты для условных исходных данных были одобрены соответствующими руководящими структурами, а предложенный методический аппарат явился развитием ведомственного комплекса математических моделей и алгоритмов.

Основные положения, представленные в диссертации, регулярно докладывались и обсуждались на научных мероприятиях различного уровня. В том числе на:

- 4-ой Международной конференции по информационным и телекоммуникационным технологиям в интеллектуальных системах, Italy, Catania, May 27 - June 03, 2006.

- Х-ом научно-практическом семинаре «Новые информационные технологии в автоматизированных системах», секция «Проектирование систем», Московский государственный институт электроники и математики (Технический университет), 2007.

- 5-ой Международной конференции по информационным и телекоммуникаци- - -онным технологиям в интеллектуальных системах. Mallorca, Spain - May 31 - June 07, 2007.

- ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ, Москва, 2006-2007 гг.

Результаты диссертационной работы непосредственно отражены в 12 публикациях: в научно-технических журналах, в том числе и в журналах ВАК; трудах конференций, а также в научно-техническом отчете по госбюджетной теме.

Структура и краткое содержание работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, перечня литературы (81 наименование) и семи приложений, включающих исходные данные и промежуточные результаты апробации разработанных методов и алгоритмов; акты о внедрении результатов работы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Алексеев, Игорь Борисович

Выводы 153

Заключение 154