Программные технологии визуальной реконструкции и анализа сетевых моделей генетических, экологических и социальных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Тимонов, Владимир Сергеевич

• Тимонов, Владимир Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тимонов, Владимир Сергеевич

Список используемых обозначений

Введение

Глава 1. Методы и средства сетевого моделирования.

1.1. Сетевое моделирование и понятие семантической сети.

1.2. Онтологическое описание.

1.3. Задачи моделирования на уровнях организации живого

1.4. Моделирование генетических систем

1.5. Моделирование экологических систем.

1.6. Моделирование социальных систем.

1.7. Сравнение представленных сетевых моделей.

1.8. Описание общего процесса сетевого моделирования.

1.9. Обзор программных решений в области сетевого моделирования

1.9.1. Система моделирования генных сетей GeneNet.

1.9.2. Специализированные среды сетевого моделирования

1.9.3. Платформы для разработки сред предметно-ориентированного моделирования.

1.10. Проблемы при разработке ПС для сетевого моделирования

1.11. Выводы к первой главе.

Глава 2. Унификация разработки сред сетевого моделирования

2.1. Направление проводимых исследований

2.2. Подход к разработке сетевого редактора.

2.3. Схема устройства инструментального каркаса.

2.4. Описание предметной области.

2.5. Подход к организации модели данных

2.6. Процесс разработки средства моделирования

2.7. Обработка сетевых моделей

2.7.1. Приведение сетевых моделей в двудольный вид.

2.7.2. Поиск регуляторных контуров.

2.7.3. Преобразование сетевых моделей.

2.8. Взаимодействие с другими программными пакетами.

2.9. Выводы ко второй главе . . . .'.

Глава 3. Средства инструментальной поддержки

3.1. Средства программной реализации.

3.2. Блок пользовательских подсистем.

3.3. Блок управления

3.4. Блок расширения функциональных возможностей

3.5. Блок анализа.

3.5.1. Подсистема приведения в двудольное представление

3.5.2. Подсистема поиска регуляторных контуров.

3.5.3. Подсистема преобразования сетевых моделей.

3.6. Язык описания предметной области.

3.7. Средство описания предметной области.

3.8. Создание и расширение среды визуального сетевого моделирования

3.9. Блок ресурсов.

3.10. Анализ средств инструментальной поддержки.

3.10.1. Анализ визуальных интерфейсов.

3.10.2. Анализ по методу ООМЭ.

3.10.3. Анализ эффективности разработки.

3.11. Выводы к третьей главе.

Глава 4. Анализ и описание прикладных систем.

4.1. Методы реконструкции и анализа генных сетей.

4.1.1. Анализ структуры базы данных СепеКе!.

4.1.2. Филогенетическая декомпозиция генных сетей.

4.2. Методы реконструкции экологических сетей.

4.3. Методика идентификации конфликтных ситуаций.

4.3.1. Процесс реконструкции и анализа сетевой модели

4.3.2. Алгоритм получения данных о личности человека

4.3.3. Методы анализа с целью идентификации конфликтов

4.3.4. Особенности применения методики.

4.4. Выводы к четвертой главе.

Глава 5. Предметно-ориентированные среды визуального сетевого моделирования

5.1. ПС для визуальной реконструкции и анализа генных сетей

5.1.1. Среда моделирования «Сепе^^З^сНо»

5.1.2. Подсистема приведения генных сетей в двудольное представление

5.1.3. Подсистема поиска регуляторных контуров в генных сетях.

5.1.4. Подсистема проведения филогенетической декомпозиции

5.1.5. Подсистема преобразования ассоциативных семантических сетей молекулярно-генетических взаимодействий в генные сети.

5.2. ПС для реконструкции экологических сетей.

5.2.1. Подсистема поиска регуляторных контуров в экологических сетях.

5.3. Клиент для методики моделирования эволюции бактерий

5.4. ППП для анализа личности и коллектива

5.4.1. Сетевой редактор «ЗосюТотБ^сНо».

5.4.2. Подсистема построения тестов.

5.4.3. Подсистема тестирования.

5.4.4. Подсистема ассоциативного анализа.

5.4.5. Подсистема кластерного анализа.

5.4.6. Подсистема многомерного шкалирования

5.5. Выводы к пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программные технологии визуальной реконструкции и анализа сетевых моделей генетических, экологических и социальных систем»

Актуальность работы. Сетевое моделирование процессов различной природы является одним из наиболее эффективных и универсальных способов описания их структурно-функциональной организации (СФО). Визуальная сетевая реконструкция является разработкой компьютерной модели в виде ориентированного графа, семантически отражающего структурные и функциональные характеристики (СФХ) описываемого процесса или явления. Информативным и удобным для исследователей являются возможности визуального построения сетевых моделей. Они дают наглядное представление описываемого процесса или явления с возможностями модификации и дальнейшего анализа сети. Такие процессы могут включать в себя богатую терминологическую и семантическую составляющие, а также от сотен до десятков тысяч элементов, что также следует учитывать при дальнейшем анализе сети. Сетевое моделирование нашло широкое применение в таких областях, как проектирование программного обеспечения, схемотехника, планирование и оптимизация бизнес-процессов и др. Активные исследования, проводимые с применением современных информационных технологий, средств вычислительной техники и методов прикладной математики в области мо-лекулярно-биологических, биомедицинских, экологических и социальных исследований способствовали развитию информационной биологии. В данной работе сетевое моделирование рассматривается по отношению к трем направлениям информационной биологии: (1) молекулярно-генетические сети; (2) экологические сети и (3) социальные сети. Выбор направлений связан с потенциальными возможностями получения полезных прикладных и фундаментальных результатов от исследований в каждой из областей в организации, где проводилась работа. Для реконструкции различных сетевых моделей в литре разработан ряд программных средств (ПС), каждое из которых обладает своими преимуществами и недостатками (Pajek, Cytoscape, Cell-Designer, и др.)- Их отличительной особенностью является ориентированность на конкретную прикладную область с заранее определенной терминологией и семантикой либо полным их отсутствием, что накладывает свои ограничения на проводимые исследования. Этот критерий наиболее важен в сферах, где предметная область слабо определена либо не определена вовсе, а формируется и уточняется в процессе проведения исследования. При стандартном подходе к разработке программного обеспечения (ПО), где проводится полное исследование предметной области, проектирование архитектуры и сс программная реализация практически с нуля, страдает эффективность исследований, в виду отсутствия своевременной инструментальной поддержки. При этом 1Т-специалисты вынуждены тесно взаимодействовать с исследователями, занимаясь анализом их требований и формализацией исследуемых систем, необходимых для программной реализации, на что тратится время, которое можно бы было эффективно использовать для наукоемких задач. С учетом проведения широкомасштабных исследований в области сетевого моделирования в организации, где проводилась работа, возникла необходимость в подходе к быстрой разработке таких программных сред моделирования. К настоящему моменту отсутствовали эффективные программные технологии, предназначенные для быстрой разработки ПС визуальной реконструкции и анализа сетевых моделей, с возможностью гибкой настройки на конкретную предметную область с помощью определения терминологии и семантики непосредственно исследователями в рамках поставленных задач.

Актуальность работы заключается в потребности создания математического и программного обеспечения, повышающего эффективность разработки предметно-ориентируемых ПС, предназначенных для реконструкции и анализа сетевых моделей.

Целью диссертационной работы является разработка подхода, методов и алгоритмов для повышения эффективности процесса создания предметно-ориентируемых средств визуального сетевого моделирования с функциями анализа данных.

Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Обзор направлений сетевого моделирования и средств инструментальной поддержки исследований в его рамках, а также выявление проблем разработки таких инструментов.

2. Разработка подхода и алгоритмов, описывающих процесс унификации создания предметно-ориентируемого средства визуального сетевого моделирования.

3. Создание методов и алгоритмов для универсального компьютерного описания, визуального представления и анализа сетевых моделей.

4. Проектирование и реализация средств инструментальной поддержки для разработки сред визуального сетевого моделирования.

5. Выявление состава и структуры исследуемых систем, описание их предметных областей для проведения исследований в области информационной биологии.

6. Применение подхода и средств инструментальной поддержки для разработки программного обеспечения, предназначенного для реконструкции молекулярно-генетических, экологических и социальных систем.

Объектом исследования в работе являются методы и средства визуального сетевого моделирования.

Предметом исследования в работе являются подходы к унификации разработки предметно-ориентированных сред визуальной сетевой реконструкции и анализа с гибкой настройкой на предметную область.

Методы исследования. Для достижения цели и решения поставленных задач в работе использовались методы теории графов, теории множеств, статистики, сетевого моделирования, теории языков программирования, онтологического описания, объектно-ориентированного анализа и проектирования, а также дизайна визуальных интерфейсов.

Научная новизна.

1. Предложены алгоритмы и программные инструменты разработки проблемно-ориентируемых ПС в области сетевого моделирования, основанные па использовании готового каркаса приложения и позволяющие осуществлять гибкую настройку на предметную область без участия 1Т-специалистов, тем самым значительно снижая сроки разработки ПО.

2. Предложен научно-обоснованный метод каркасной сборки программ и программных систем, обеспеченный разработанной базовой инструментальной поддержкой, позволяющий реализовать разработку программных сред визуальной реконструкции и анализа сетевых моделей.

3. Предложен и реализован декларативный язык для описания предметных областей, основанный на гибкой параметризуемой графической нотации, позволяющий осуществлять построение семантических сетей прикладных систем.

4. Разработаны и реализованы методы и алгоритмы, направленные на обработку структурно-функциональной организации сетевых моделей, позволяющие повысить эффективность анализа данных и прогнозирования поведения исследуемых систем.

Практическая ценность. Предложенный подход и средства инструментальной поддержки можно применять для сокращения сроков разработки предметно-ориентированных сред в различных областях, где можно применить метод сетевого моделирования. Созданные алгоритмы и программные средства официально внедрены и используются:

• в научно-исследовательском процессе Института Цитологии и Генетики СО РАН (ИЦиГ СО РАН) для разработки предметно-ориентированных сред визуального сетевого моделирования в области информационной биологии («Агапеиэ»);

• в научно-исследовательском и образовательном процессах ИЦиГ СО РАН в области моделирования молекулярно-генетических и экологических систем («Се1:^^81д1с1ю», «EcoNetStudio»);

• в научно-исследовательском и образовательном процессах Новосибирского государственного университета (НГУ), в рамках применения для решения задач, связанных с моделированием экологических процессов («Есо^БПкИо»);

• в научно-исследовательском процессе ООО «Генные сети» (ГеС) с целью проведения комплексных работ в области идентификации конфликтных ситуаций в организациях (конфликтологии) («ЗосюТоп^исИо»).

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование предложенных алгоритмов и программных инструментов позволяет значительно снизить сроки разработки сред сетевого моделирования.

2. Применение метода каркасной сборки сокращает сроки разработки и обеспечивает своевременную инструментальную поддержку при создании сред сетевого моделирования.

3. Использование языка описания предметной области, основанного на гибкой параметризируемой графической нотации, позволяет строить семантические сети прикладных систем.

4. Разработанные методы и алгоритмы для обработки структурно-функциональной организации сетевых моделей прикладных систем повышают эффективность их анализа.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на отчетных сессиях ИЦиГ СО РАН с 2007 по 2009 год. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на конференции «Современная психотерапия и психологическое консультирование в контексте культуры» (2008, Новосибирск); на VI и VII международных конференциях по биоинформатике регуляции и структуры генома (2008, 2010, Новосибирск); на VII Всероссийской научно-практической конференция «Молодежь и современные информационные технологии» (2009, Томск); на VI съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров (2009, Москва); на XX юбилейной выставке SofTool (2009, Москва); на II международной конференции «Молекулярная филогенетика» (2010, Москва); на XIV международной конференции «Evolutionary Biology Meeting» (2010, Марсель, Франция); на конференции «Фундаментальные и прикладные аспекты современной биологии» (2010, Томск); на XIII Российской конференции с международным участием "Распределенные информационно-вычислительные ресурсы"(2010, Новосибирск).

В первой главе рассмотрено понятие сетевых моделей. Проведен обзор существующих инженерных решений, методов и подходов в области сетевой реконструкции и анализа процессов и явлений. Рассмотрены прикладные направления работы. Идентифицированы основные проблемы при разработке средств визуального сетевого моделирования. Глава 2 содержит описание исследования, приведшего к разработке подхода для сокращения сроков создания предметно-ориентируемых сред визуального сетевого моделирования. В главе 3 обоснован выбор технологической базы для инженерной реализации предложенного подхода. Представлено описание основных программных решений и их функциональных возможностей. В четвертой главе проведен анализ и описание прикладных систем, в рамках которых ведется апробация разработанного подхода и программных средств инструментальной поддержки. Приведено описание методов получения первичной информации и дальнейшего анализа сетевых моделей. В последней главе описано практическое применение представленного подхода и средств инструментальной поддержки в рамках разработки предметно-ориентированных сред визуального сетевого моделирования молекулярно-генетических, экологических и социальных систем. В заключении обсуждаются и обобщаются основные результаты и выводы проведенного исследования.

Автор выражает признательность своему научному руководителю академику РАН Колчанову H.A. за предложенную тематику и предоставление всех условий для её выполнения; к.б.н. Акбердину И.Р., к.б.н. Ананько Е.А, к.б.н. Гунбину К.В., к.т.н. Деменкову П.С., д.б.н. Ефимову В.М., д.м.н. Завьялову В.Ю., к.б.н. Иванисенко В.А., к.б.н. Лашину С.А., д.т.н. Легалову А.П., к.б.н. Матушкину Ю.Г., к.б.н. Меньшанову П.Н., к.ф.-м.н. Мигинскому Д.С., зав. сек. Подколодному Н.Л., Рассказову Д.А., к.т.н. Ситняковской Е.И., н.с. Суслову В.В., м.н.с Турнаеву И.И. за помощь на этапах исследовательской деятельности, консультировании по сложным вопросам, а также помощь в освоении теоретических положений и методов.

Автор также выражает благодарность своим родным и близким за моральную поддержку на протяжении работы над тематикой диссертации.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Тимонов, Владимир Сергеевич

Результаты работы в данном направлении представлены в [А9, А7, А8, А6, А5, А1].