Событийное моделирование в исследованиях энергетической безопасности
На правах рукописи
Аршинский Вадим Леонидович
СОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИССЛЕДОВАНИЯХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Иркутск – 2010
Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН)
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Людмила Васильевна Массель
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук
Галина Сергеевна Курганская
кандидат технических наук
Людмила Юрьевна Чудинова
Ведущая организация:
Институт информационных технологий и моделирования Иркутского государственного университета путей сообщения.
Защита состоится «02» июля 2010 г. в 13-30 ч. на заседании диссертационного совета Д 003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск-33, ул. Лермонтова, 130.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.017.01 по адресу: 664033, Иркутск, ул.Лермонтова, 130.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.
Автореферат разослан «01» июня 2010 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, профессор А.М. Клер
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первый из них – это значимость исследований проблемы энергетической безопасности[1] (ЭБ), которая определяется, в свою очередь, ключевой ролью топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в экономике страны и ситуацией, сложившейся в ТЭК и в экономической и социальной жизни страны к настоящему времени. Второй связан с необходимостью создания нового инструментария исследований проблемы энергетической безопасности. Это, в свою очередь, обусловлено, с одной стороны, развитием информационных технологий и появлением новых подходов к моделированию, а с другой, необходимостью развития качественных методов анализа в исследованиях проблемы ЭБ и их интеграции с существующими количественными методами анализа. Одним из таких новых методов является событийное моделирование, под которым понимается построение поведенческих моделей, причем в качестве объектов моделирования могут рассматриваться как люди, так и технические объекты. Событийное моделирование основывается на применении алгебраических сетей и позволяет рассматривать распространение в сетях как неблагоприятных событий (возмущений), так и благоприятных событий (улучшающих характеристики процессов и свойств объектов). Последнее представляет интерес для исследований проблемы ЭБ и может послужить основой нового подхода к созданию инструментария исследований, который, в свою очередь, требует разработки методов, алгоритмов и инструментальных средств для событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности и их интеграции с уже существующим инструментарием исследований.
Методологические основы исследований ЭБ заложены в работах Н.И. Воропая, С.М. Клименко, Л.Д. Криворуцкого, Г.Б. Славина, С.М. Сендерова, Н.И. Пятковой, М.Б. Чельцова и др.
Теоретические основы теории алгебраических сетей разрабатывались в работах С.К. Клини, К.А. Петри, А.И Мальцева и др. Вопросы событийного моделирования на основе одной из разновидностей алгебраических сетей – Joiner-сетей, разрабатываются Л.Н. Столяровым и его учениками.
Объектом исследования является информационная технология исследований энергетической безопасности на уровне ТЭК страны, которая рассматривается как совокупность технологии проведения содержательных исследований, технологии организации вычислительного эксперимента и технологии разработки программных инструментальных средств, а также технология поддержки принятия решений по обеспечению ЭБ страны.
Предметом исследования являются методы событийного моделирования и построения инструментальных средств его поддержки на основе алгебраических сетей.
Целью работы является разработка методов и инструментальных средств событийного моделирования и их совместного использования с методами количественной оценки уровня энергетической безопасности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Выполнить анализ методов, программных средств и технологии вычислительного эксперимента (ВЭ), используемых в исследованиях направлений развития ТЭК с учётом требований ЭБ.
- Обосновать целесообразность применения событийного моделирования, основанного на использовании аппарата алгебраических сетей, в исследованиях проблемы энергетической безопасности.
- Выполнить аналитический обзор существующих сетевых парадигм и обоснование выбора Joiner-сетей как математического аппарата поддержки событийного моделирования.
- Разработать методику событийного моделирования на основе Joiner-сетей в исследованиях проблемы энергетической безопасности и проиллюстрировать ее на примере моделирования компенсации последствий чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС.
- Разработать методику интеграции событийного моделирования и индикативного анализа уровня энергетической безопасности на основе Joiner-сетей.
- Разработать методику формирования стратегии вычислительного эксперимента (ВЭ) в исследованиях проблемы ЭБ с использованием событийного моделирования на основе Joiner-сетей.
- Разработать состав и требования к инструментальным средствам поддержки событийного моделирования, реализовать научно-исследовательский прототип инструментальных средств.
Методами и средствами исследования являются методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы событийного моделирования, теория систем, теория алгебраических сетей, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование).
Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:
- Впервые предложено использовать событийное моделирование для анализа вариантов компенсации последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике с позиций энергетической безопасности.
- Разработан методический подход к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности, включающий:
- понятие событийных карт (графического представления событийной модели в терминах предметной области) и набор базовых графических элементов, отражающих возможные событийные структуры;
- алгоритм перехода от событийных карт к формализованному представлению событийной модели на основе логических уравнений для Joiner-сетей;
- методику событийного моделирования в исследованиях проблемы энергетической безопасности, основанную на применении аппарата Joiner-сетей;
- методику интеграции, на основе Joiner-сетей, событийных моделей и алгебраических сетей для расчета индикаторов энергетической безопасности, для целей мониторинга уровня ЭБ.
- Предложена методика формирования стратегии вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы энергетической безопасности на основе событийного моделирования.
Практическая значимость. С использованием предложенного методического подхода реализованы программные инструментальные средства поддержки событийного моделирования в исследованиях энергетической безопасности. Разработанные методики, алгоритмы и инструментальные средства применены в исследованиях проблемы энергетической безопасности и при выполнении проекта № 4.3.1.3 «Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике» в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. «Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений».
Кроме того, результаты диссертационной работы внедрены при выполнении проектов по грантам: РФФИ № 07-07-00265а и РГНФ № 07-02-12112в (2007-2009гг.), РФФИ № 08-07-00172 (2008-2010), гранту Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» № 2.29 и используются при выполнении проекта по гранту РФФИ № 10-07-00264 (2010-2012).
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международной конференции «Cоmputer Science and Information Technologies», Крит (Греция), 2009 г.; международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе», Украина, 2008, 2010 гг.; международной конференции «Интеллектуальные системы принятия решений и проблемы вычислительного интеллекта», Евпатория, 2010 г.; Байкальских Всероссийских конференциях «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2007-2009 гг.; на конференциях молодых ученых ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск, 2007-2010 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 диссертационной работы опубликовано 14 работ, в т.ч. 4 из них – в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ по специальности [1-4].
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 93 наименований, включает 5 таблиц и 42 рисунка. Объем работы 123 страницы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследования, указывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, также приводятся структура и краткое содержание работы.
Первая глава работы посвящена анализу методов, программных средств и технологии вычислительного эксперимента (ВЭ), используемых в исследованиях направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) с учётом требований энергетической безопасности (ЭБ) и обоснованию выбора аппарата событийного моделирования.
В первом разделе главы раскрывается актуальность исследований проблемы ЭБ РФ. Угрозы ЭБ определяются как совокупность условий и факторов, создающих экстремальные ситуации в системах топливо- и энергоснабжения потребителей, представляющих опасность для нормального функционирования этих систем и затрагивающих жизненно важные интересы личности, общества и государства. Задачи мониторинга ЭБ РФ и её регионов заключаются в отслеживании и оценивании наблюдаемых и ожидаемых процессов, явлений и изменения параметров, определяющих уровень и степень угрозы ЭБ. В основе мониторинга ЭБ лежит система индикаторов, адекватно описывающих положение в том или ином аспекте обеспечения ЭБ. Смысл и суть мониторинга и индикативного анализа состоят в отображении информации об угрозах ЭБ с помощью системы индикаторов и их сравнение с пороговыми значениями. Достижение или превышение порога интерпретируется как переход системы к более низкому уровню безопасности, повышению уязвимости и возрастанию риска возникновения чрезвычайной ситуации с энергоснабжением (ЧСЭ).
ЧСЭ – обстановка на определенной территории, сложившаяся в результате реализации угроз техногенного, природного, социально-политического и экономического характера, а также дестабилизирующих явлений или процессов, характеризующаяся значительным нарушением стабильного энергоснабжения и/или ощутимым дефицитом ТЭР, которые, в свою очередь, могут повлечь или повлекли за собой нарушения условий жизнедеятельности людей, условий нормального функционирования объектов производственной и непроизводственной сфер, значительные материальные потери или ущерб здоровью людей.
Во втором разделе главы рассматриваются существующие подходы и программное обеспечение исследований проблемы ЭБ. Приведен обзор существующего программного инструментария для исследования направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ, как отечественной, так и зарубежной разработки. Рассматривается используемый для исследований проблемы энергетической безопасности многоагентный программный комплекс (ПК) ИНТЭК-М[2]
.
Третий раздел первой главы посвящен аналитическому обзору алгебраических систем и сетей. Рассматриваются конечные автоматы, вычислительные сети Тыугу и различные модификации сетей Петри. Обосновывается выбор Joiner-сетей в качестве инструмента формализации событийных моделей.
В выводах к главе подчеркивается необходимость разработки новых, качественных методов анализа и их интеграции с традиционными методами оценки состояния ТЭК и уровня ЭБ. Автором предлагается использовать для этой цели событийное моделирование, основанное на применении одной из разновидностей алгебраических сетей - Joiner-сетей.
Вторая глава посвящена описанию предлагаемого автором методического подхода к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности, в рамках которого интегрируются событийное моделирование на основе аппарата Joiner-сетей и индикативный анализ ЭБ[3].
Сущность событийного подхода к моделированию заключается в отслеживании на модели последовательности событий в том же порядке, в каком они происходили бы в реальной системе. Событийная модель какой-либо системы представляет собой набор связанных между собой причинно-следственными связями событий, реализация которых отражает динамику поведения системы в ответ на возникновение инициирующего события. Задаваемые моделью последовательности реализации событий – цепочки событий – описывают сценарии реакции системы на возникновение инициирующего события, стоящего в начале цепочки.
Основной целью событийного моделирования является получение множества сценариев развития событий, отражающих варианты поведения системы. Помимо решения этой основной задачи, событийное моделирование позволяет извлекать и накапливать знания эксперта о взаимосвязях явлений и процессов предметной области.
Для формального описания событийных моделей в данной работе предложено использовать аппарат Joiner-сетей (JN), являющийся расширением сетей Петри, отличающимся введением специального вида пусковых и флаговых функций, формируемых из произвольных булевых функций. Всякую алгебраическую сеть (AN) можно в общем виде представить как некоторую Joiner-сеть (JN) – сеть, имеющую два типа вершин (процессы и позиции) и связи между ними. Применение аппарата JN даёт возможность описать эту сеть не только в виде графического представления, наглядного и удобного для исследователя, но и описать логику работы сети с помощью системы пусковых и флаговых функций.
Рис. 1. Графическое представление элемента Joiner-сети
и его пусковая и флаговые функции.
Автором вводится понятие событийной карты – графического представления событийной модели, ориентированное на эксперта (исследователя). Событийная карта определяется как направленный граф, вершинами которого являются события, дуги графа показывают направление причинно-следственных связей между событиями.
В диссертации выделяются следующие базовые графические элементы, отражающие возможные событийные структуры, из которых состоят событийные карты (рис. 2):
Рис. 2. Базовые графические элементы событийной карты.
- Событие
вызывает сразу два (или более) параллельно реализуемых (т.н. независимых) событий 
и 
(рис. 2.а). События 
и 
являются следствиями реализации исходного события 
, причем оба они реализуются независимо друг от друга. Такая структура даёт только один сценарий:
.
- Событие
вызывает реализацию альтернативных взаимоисключающих событий 
и 
(рис. 2.б). В этом случае реализации события 
служит причиной либо для события 
, либо для события 
, но не для обоих сразу, то есть эти события зависимы от реализации друг друга. При появлении инициирующего события 
возникает два альтернативных сценария развития событий:
и 
.
- Событие
вызывает реализацию альтернативных независимых событий 
и 
(рис. 2.в). Такая структура отличается от предыдущей тем, что для событий 
и 
реализация не зависит друг от друга. В этом случае получаем три альтернативных сценария развития событий:
, 
и 
.
- События
и 
являются совместными причинами для реализации события 
(рис. 2.г). Событие 
будет реализовано только после появления и события 
и события 
. Эта структура даёт лишь один сценарий:
.
- События
и 
– взаимоисключающие причины для реализации события 
(рис. 2.д). Этот элемент описывает следующую причинно-следственную связь: событие 
реализуется при появлении либо события 
, либо события 
. В этом случае возможны два альтернативных сценария развития событий:
и 
.
- События
и 
– альтернативные, независимые причины для реализации события 
(рис. 2.е). В отличие от предыдущего случая, события-причины 
и 
вызывают реализацию 
независимо друг от друга, что даёт три возможных сценария развития событий:
, 
и 
.
Также во второй главе показано, как путём комбинирования рассмотренных выше элементов могут быть получены более сложные событийные структуры.
Автором разработан алгоритм перехода от событийной карты к формализованной событийной модели на основе Joiner-сетей. Алгоритм включает следующие шаги (рис. 3):
- Каждому элементу множества событий сопоставляется элементарный JN-элемент, с пусковыми и флаговыми функциями вида:
). - Из множества событий выбирается один элемент.
- Среди остальных событий производится поиск «событий-причин» для этого события.
- Выходные позиции процессов, связанных с найденными событиями, соединяются с входными позициями элемента Joiner-сети, для которого производился поиск.
- Пусковая функция этого процесса соответствующим образом модифицируется – в неё включаются выходные позиции найденных элементов Joiner-сети. Способ включения зависит от характера связи событий, с которыми связаны эти элементы. Для каждого базового элемента событийной карты существует свой шаблон для модификации пусковой функции.
- Флаговые функции найденного элемента Joiner-сети также модифицируются соответствующим образом.
- Пункты 3, 4, 5, 6 выполняются для каждого элемента множества событий модели.
Рис. 3. Блок-схема алгоритма перехода от графического представления событийной модели к ее формализованному представлению
на основе Joiner-сетей
Предлагаемая автором методика событийного моделирования основывается на формальном представлении событийных моделей в виде Joiner-сетей. Методику можно представить в виде схемы (рис. 4), из которой видно, что после проведения некоторых этапов возможен возврат на предыдущие этапы.
Предложенную методику можно детализировать, используя представление ее в виде последовательности основных функциональных процессов (нотация IDEF0). Декомпозиция первого уровня методики событийного моделирования показана на рис. 5.
Рис. 4. Общая схема методики событийного моделирования
на основе Joiner-сетей в исследованиях проблемы ЭБ
Основные этапы методики событийного моделирования:
- Постановка задачи. В ходе этого начального этапа формулируются объект и цель моделирования, а также выбирается уровень детализации модели.
- Выбор инициирующих событий. На этом этапе эксперт должен выбрать инициирующие (начальные) события, реализация которых будет точкой отсчета для дальнейшего развития событий.
- Формирование списка событий модели. Эксперт, опираясь на результаты выполнения двух предыдущих этапов, должен составить список ключевых событий, отражающих динамку развития исследуемого процесса и решить – какие из них существенны и должны войти в модель, а какими можно пренебречь.
- Определение последовательности реализации событий. Всё множество событий, сформированное на предыдущем этапе, анализируется экспертом и на основе его рассуждений между элементами этого множества устанавливаются причинно-следственные связи.
- Построение событийной карты. Основной целью проведения этого этапа является визуальная фиксация результатов выполнения предыдущих этапов. Помимо основной цели, существует другая, не менее важная – эксперт, имея в своём распоряжении наглядное представление своих рассуждений, может увидеть неочевидные или неучтенные им факторы, и вернуться к предыдущим этапам, чтобы уточнить событийную модель, поэтому на этом этапе должна существовать возможность обратной связи.
- Построение Joiner-сети для событийной карты. Цель этого этапа заключается в формальном описании взаимосвязей событий, выявленных и зафиксированных экспертом на предыдущих этапах. В качестве формального описания для модели строится Joiner-сеть. Реализация каждого события модели связывается с процессом Joiner-сети.
- Получение множества сценариев развития событий. С помощью построенной Joiner-сети выполняется поиск сценариев развития событий. В процессе анализа возможных сценариев эксперт может вносить изменения в событийную модель и изучать, как эти изменения влияют на развития событий.
Рис. 5. Декомпозиция первого уровня методики событийного моделирования в исследованиях проблемы ЭБ на основе Joiner-сетей в нотации IDEF0.
Управляющая информация входит в блок сверху, входная информация – слева, результаты обработки – справа; механизмы реализации (человек или программные средства) показаны снизу.
Предложенная методика иллюстрируется на примере событийного моделирования компенсации последствий чрезвычайной ситуации на Саяно-Шушенской ГЭС, которая является крупнейшей по мощности ГЭС в России. 17 августа 2009 года на станции произошла авария, которую, учитывая ее последствия для ТЭК и страны в целом, можно классифицировать как крупнейшую индустриальную техногенную катастрофу, или чрезвычайную ситуацию в энергетике.
В главе приведена построенная автором в соответствии с предложенной методикой событийная карта, отражающая возможные варианты компенсации последствий ЧСЭ (рис. 6). Рассматривались следующие мероприятия: дозагрузка (увеличение мощности) ТЭС, КЭС, АЭС и других ГЭС, импорт электроэнергии из других регионов России и из-за рубежа, увеличение собственного производства котельно-печного топлива (КПТ) и/или его импорт из других регионов.
Рис. 6. Событийная карта возможных вариантов компенсации
последствий ЧС на Саяно-Шушенской ГЭС.
Приведенный пример используется для иллюстрации возможностей применения событийного моделирования, поэтому включает только основные варианты компенсации последствий ЧС, с тем, чтобы не утратить наглядность при построении событийной карты и переходе к формализованному представлению событийной модели.
Пунктиром на рис. 6 выделен фрагмент событийной карты, для которого, с использованием предложенного автором алгоритма, получена Joiner-сеть, представленная на рис. 7.
Рис. 7. Joiner-сеть для фрагмента событийной карты,
представленной на рис. 6.
Распространение сигналов по такой сети подчиняется следующим логическим уравнениям:
| Пусковые функции: | Флаговые функции: |
 |    |
 |   |
 |   |
 |   |
 |   |
На основе анализа построенной событийной модели получены следующие сценарии развития событий:
- Выбывшие энергетические мощности в результате ЧСЭ на Саяно-Шушенской ГЭС компенсируются за счет дозагрузки ГЭС и ТЭС региона, обеспечение возросших потребностей ТЭС в КПТ удовлетворяются за счет импорта КПТ из соседних регионов.
- Выбывшие энергетические мощности в результате ЧСЭ на Саяно-Шушенской ГЭС компенсируются за счет дозагрузки ГЭС и ТЭС региона, обеспечение возросших потребностей ТЭС в КПТ удовлетворяются за счет увеличения собственного производства КПТ в регионе.
- Выбывшие энергетические мощности в результате ЧСЭ на Саяно-Шушенской ГЭС компенсируются за счет дозагрузки ГЭС и ТЭС региона, обеспечение возросших потребностей ТЭС в КПТ удовлетворяются за счет увеличения собственного производства КПТ в регионе и ввоза КПТ из соседних регионов.
Разработанный методический подход предлагается использовать для интеграции событийного моделирования и индикативного анализа, с целью мониторинга уровня энергетической безопасности. Для обеспечения возможности наблюдения за изменением уровня ЭБ вследствие реализации событий модели, необходимо формально описать зависимость изменений индикаторов ЭБ от изменений значений показателей (характеристик) ТЭК и связать эти изменения с реализацией событий. Для этого предложено также использовать аппарат алгебраических сетей.
Автором разработана методика интеграции событийного моделирования и индикативного анализа, которая включает следующие этапы:
- Выявление индикаторов энергетической безопасности, используемых в индикативном анализе ЭБ.
- Определение формул построения, или вычисления индикаторов ЭБ на основе первичных показателей (характеристик ТЭК).
- Построение алгебраических сетей для расчета индикаторов ЭБ в соответствии с принятыми формулами.
- Построение Joiner-сетей для алгебраических сетей, реализующих эти формулы.
- Построение или выбор базовой событийной модели для анализа развития и компенсации последствий ЧС.
- Определение влияния событий, описываемых в модели, на базовые показатели (характеристики) ТЭК (определение «точек» подключения алгебраических сетей (в виде JN) для вычисления индикаторов ЭБ).
- Построение расширенной событийной модели (выполнение в этих точках операций «склеивания» (операций Joiner-алгебры) для объединения Joiner-сети базовой событийной модели и Joiner-сетей алгебраических сетей, вычисляющих индикаторы ЭБ).
- Проведение экспериментов на полученной расширенной событийной модели (разработка различных сценариев и оценка уровня ЭБ в условиях этих сценариев).
- Переход к вычислительным экспериментам с использованием ПК ИНТЭК-М (учет результатов, полученных в результате применения данной методики, при формировании сценариев (вариантов), рассчитываемых с помощью ПК ИНТЭК-М).
Предложенная методика представлена в виде схемы на рис. 8.
Рис. 8. Общая схема методики интеграции событийного моделирования и индикативного анализа ЭБ.
Далее рассматривается применение предложенной методики. В исследованиях проблемы ЭБ используются индикаторы ЭБ, сгруппированные в три блока (полностью описаны в первой главе диссертации). В качестве примера рассмотрены индикаторы блока производственной и ресурсной обеспеченности системы топливо- и энергоснабжения. Этот блок включает следующие индикаторы ЭБ:
- Отношение величины суммарной располагаемой мощности электростанций к максимальной электрической нагрузке (
). - Отношение суммы располагаемой мощности электростанций и пропускной способности межсистемных связей региона с соседними, к максимальной электрической нагрузке потребителей на его территории (
). - Возможности удовлетворения потребностей в котельно-печном топливе (КПТ) из собственных источников региона (доля собственных источников в балансе КПТ, %) (
).
Значения индикаторов первого блока рассчитываются по формулам, которым можно сопоставить термы 
, 
, 
:
; 
; 
,
где 
- суммарная располагаемая мощность, 
- максимальная электрическая нагрузка, 
- пропускная способность межсистемных связей с соседними регионами, 
- производство КПТ в регионе, 
- потребление КПТ в регионе.
В соответствии с выражениями 
, 
, 
автором построена алгебраическая вычислительная сеть (рис. 9). Сеть определяется графом, белые вершины соответствуют термам, черные – переменным, которые входят в соответствующие термы.
Далее в главе для алгебраической вычислительной сети, показанной на рис. 9, приводится соответствующая ей Joiner-сеть.
Рис. 9. Алгебраическая вычислительная сеть, описывающая взаимосвязь индикаторов ЭБ и основных показателей ТЭК.
Результат применения предложенной методики иллюстрируется на рис. 10. В качестве базовой используется событийная модель, представленная на рис. 7. Входные и выходные позиции элементов Joiner-сети для событийной модели отождествляются с соответствующими входными и выходными позициями Joiner-сетей для расчета индикаторов ЭБ, т.е. выполняется операция Joiner-алгебры «склеивание».
Рис. 10. Совместное использование событийной модели компенсации последствий ЧС и алгебраических вычислительных сетей для расчета индикаторов ЭБ.
В заключение главы перечислены следующие возможные области применения событийных моделей на основе Joiner-сетей:
- Для типизации сценариев развития ЧС, их негативных последствий и способов компенсации.
- Для мониторинга уровня ЭБ посредством отслеживания изменений индикаторов ЭБ.
- Для создания «Паспортов безопасности» энергетических предприятий, включающих описание возможных условий и мест возникновения ЧС и перечень превентивных и оперативных мер по предотвращению и/или развитию ЧС.
- Для формирования стратегии вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы энергетической безопасности.
Третья глава посвящена применению предложенного подхода и методики событийного моделирования для проведения вычислительных экспериментов (ВЭ) в исследованиях проблемы ЭБ. В первом разделе третьей главы рассматривается одна из наименее формализованных задач, решаемых в процессе исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ – задача формирования стратегии вычислительного эксперимента. Для исследований проблемы ЭБ характерно проведение многовариантных расчетов. Формирование последовательности выбираемых вариантов и определяет стратегию ВЭ. Этот этап в настоящее время практически не формализован, успешность его выполнения зависит от квалификации эксперта.
Для формализации стратегии ВЭ в работе предложено использовать событийное моделирование на основе Joiner-сетей. В качестве объекта моделирования в данном случае рассматривается процесс проведения ВЭ. Событиями модели являются корректировки (как единичные, так и групповые) экономико-математической модели ТЭК.
Автором разработана методика применения событийных моделей для формирования стратегии вычислительного эксперимента для исследований проблемы энергетической безопасности с использованием многоагентного ПК ИНТЭК-М, включающая следующие этапы:
- Формулирование цели исследования и постановка задачи ВЭ. Эксперт в соответствии со своим заданием формулирует цель исследования и производит постановку задачи вычислительного эксперимента.
- Формирование множества событий, реализующих угрозы ЭБ в соответствии с постановкой задачи. На этом этапе исследователь формирует множество событий, реализующих угрозы ЭБ, описанные в постановке задачи вычислительного эксперимента.
- Построение событийной карты и получение Joiner-сети для неё. Этот этап выполняется в соответствии с разработанной автором методикой событийного моделирования на основе Joiner-сетей, описанной во второй главе.
- Получение множества сценариев развития событий. В результате исследования полученной событийной модели формируется множество сценариев развития событий, которые в данном случае соответствуют расчетным вариантам экономико-математической модели ТЭК.
- Сопоставление событиям модели качественных (или количественных) изменений характеристик ТЭК. Каждому событию модели сопоставляются (либо из специальной базы, либо вручную) изменения показателей ТЭК.
- Расчет значений индикаторов ЭБ для полученных сценариев. В соответствии с авторской методикой интеграции событийных моделей и алгебраических сетей для расчета индикаторов ЭБ выполняется оценка уровня ЭБ для полученных сценариев развития событий.
- Выбор сценариев для проведения ВЭ. В процессе выполнения этого этапа анализируется множество полученных сценариев, из него выбираются сценарии, соответствующие постановке задачи и требованиям ЭБ. После завершения этого этапа исследователь может вернуться к предыдущим этапам с целью уточнения постановки задачи, либо внесения изменений в модель.
- Построение дерева вариантов экономико-математической модели ТЭК. Полученные в ходе выполнения предыдущих этапов результаты передаются в ПК ИНТЭК-М и на их основе формируется дерево расчетных вариантов модели экономико-математической модели ТЭК.
Далее в главе рассматриваются вопросы определения состава и инструментальных средств для поддержки событийного моделирования в исследованиях проблемы ЭБ и формулирования требований к ним.
В результате анализа требований к функциональности рассматриваемого инструментария, автором предложено включить в состав инструментальных средств событийного моделирования в исследованиях ЭБ программные средства создания, хранения, просмотра, редактирования и анализа событийных моделей.
Для создания, просмотра, редактирования и анализа событийных моделей автором разработана графическая среда событийного моделирования EventMap, включающая базовые графические элементы событийных карт и реализацию алгоритма перехода от событийной карты к формализованной событийной модели на основе Joiner-сетей. Графическая среда EventMap разработана на основе универсального ядра системы графического моделирования grModeling[4], реализованном с помощью свободно распространяемого объектно-ориентированного языка программирования Java.
Для организации хранения Joiner-сетей автором совместно с А.Н. Копайгородским разработана модель данных в Репозитарии ИТ-инфраструктуры ИСЭМ и реализованы механизмы доступа (загрузка и извлечение Joiner-сетей). Модель данных содержит следующие элементы: пусковые и флаговые функции (включая входные и выходные позиции); подпроцессы, описывающие программные процедуры, используемые для выполнения расчетов.
На рис. 11 приведена схема взаимосвязи методик и инструментальных средств поддержки событийного моделирования.
Рис. 11. Схема взаимосвязи методик и инструментальных средств поддержки событийного моделирования.
Далее в главе на конкретном примере рассматривается технология проведения вычислительного эксперимента, в котором результаты событийного моделирования учитываются при формировании стратегии вычислительного эксперимента, выполняемого с использованием ПК ИНТЭК-М.
Также в третьей главе рассмотрено применение результатов диссертационной работы при выполнении проектов по грантам РФФИ, РГНФ и Программы Президиума РАН:
- Грант РФФИ №07-07-00265а «Создание связанных между собой интеллектуальных систем для решения комплексных проблем энергетики на основе применения аппарата алгебраических сетей» (2007-2009 гг.).
- Грант РГНФ № 07-02-12112в «Интеллектуальная распределенная информационная система для ситуационного анализа социально- экономических и эколого-экономических проблем региона» (2007-2009 гг.).
- Грант РФФИ № 08-07-00172а «Интеллектуальная система для ситуационного анализа проблемы энергетической безопасности России» (2008-2010 гг.).
- Грант №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности» Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009-2011 гг.).
В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении данной работы, и определены направления дальнейших исследований.
Основные результаты работы
- Выполнен анализ методов, программных средств и технологии вычислительного эксперимента (ВЭ), используемых в исследованиях направлений развития ТЭК с учётом требований ЭБ.
- Предложено использовать в исследованиях проблемы энергетической безопасности событийное моделирование, основанное на применении аппарата алгебраических сетей.
- Выполнены аналитический обзор существующих сетевых парадигм и обоснование выбора Joiner-сетей как математического аппарата поддержки событийного моделирования.
- Разработан методический подход к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности, включающий:
- понятие событийных карт (графического представления событийной модели в терминах предметной области) и набор базовых графических элементов, отражающих возможные событийные структуры;
- алгоритм перехода от событийных карт к формализованному представлению событийной модели на основе логических уравнений для Joiner-сетей;
- методику событийного моделирования в исследованиях проблемы энергетической безопасности, основанную на применении аппарата Joiner-сетей;
- методику интеграции, на основе Joiner-сетей, событийных моделей и алгебраических сетей для расчета индикаторов энергетической безопасности, для целей мониторинга уровня ЭБ.
- Разработана методика формирования стратегии вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы ЭБ с использованием событийного моделирования на основе Joiner-сетей.
- Определены состав и требования к инструментальным средствам поддержки событийного моделирования, выполнена реализация инструментальных средств, проведен вычислительный эксперимент с использованием этих инструментальных средств и ПК ИНТЭК-М.
- Результаты работы применены при выполнении ряда научно-исследовательских проектов: в рамках приоритетной программы исследований СО РАН, по грантам РФФИ и РГНФ, по гранту Программы Президиума РАН.
Список публикаций по теме диссертации
- Массель Л.В. Построение интеллектуальных систем для исследований энергетики на основе алгебраических сетей и онтологий: подход и реализация / Массель Л.В., Копайгородский А.Н., Аршинский В.Л. // Вычислительные технологии, т.13, – Спецвыпуск 1, – 2008. – С. 50–58.
- Аршинский В.Л. Моделирование ситуаций с использованием когнитивных карт и Joiner-сетей / Аршинский В.Л., Фартышев Д. А. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, – Спецвыпуск, – 2008. С. 148-151.
- Аршинский В.Л. Применение когнитивного моделирования для ситуационного анализа проблемы энергетической безопасности / Аршинский В.Л., Массель А.Г. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, – Спецвыпуск. –2008. – С. 75–80.
- Аршинский В.Л. Подход к построению программно-аналитического обеспечения ситуационного анализа / Аршинский В.Л., Фартышев Д.А., Черноусова Е.С. // Вычислительные технологии, т.13, ч. I, – 2008. – С. 157–163.
- Massel L.V. Intellectual information technologies in energy security problem research. / Massel L.V., Arshinsky V.L., Fartyshev D.A. // Proceedings of the 11th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT’2009), – Vol.1., – 2009. – Р. 25–28.
- Аршинский В.Л. Интеллектуальная информационная система для ситуационного анализа проблемы энергетической безопасности / Массель Л.В., Аршинский В.Л., Массель А.Г., Фартышев Д.А. // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе / Приложение к журналу «Открытое образование», – Ялта-Гурзуф, – 2008. – C. 45–48.
- Аршинский В.Л. Использование когнитивных карт для построения Joiner-net моделей взаимодействия сложных процессов / Аршинский В.Л. // Труды XIII Байкальской Всероссийской конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении», Том 2. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, – 2008. – С. 241–247.
- Аршинский В.Л. Применение алгебраических сетей для исследования проблемы энергетической безопасности / Аршинский В.Л. // Системные исследования в энергетике (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 38). – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, – 2008. – С.194–201.
- Аршинский В.Л. Построение интеллектуальных систем для исследований энергетики на основе алгебраических сетей и онтологий / Массель Л.В., Аршинский В.Л. // Труды XII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении»,– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, – 2007. – Ч.III. – С. 120–126.
- Фартышев Д. А. Мультиагентный программный комплекс для исследований проблемы энергетической безопасности / Фартышев Д. А., Аршинский В.Л., Массель А.Г. // Труды XIV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении»,– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, – 2009, – Ч.III.– С. 283–289.
- Аршинский В.Л. Joiner-сети как инструмент управления взаимодействием агентов в мультиагентном программном комплексе / Аршинский В.Л. // Системные исследования в энергетике (Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып. 39).– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, – 2009.– С. 147–151.
- Аршинский В.Л. Событийное моделирование чрезвычайных ситуаций в энергетике / Аршинский В.Л. // Труды Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе», Гурзуф, – 2010. – С. 299–301.
- Аршинский В.Л. Интеллектуальные информационные технологии поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности / Массель Л.В., Аршинский В.Л., Массель А.Г. // Труды Международной конференции «Интеллектуальные системы принятия решений и проблемы вычислительного интеллекта», – Евпатория, Херсон: ХНТУ, – 2010, – Т.1. – С. 192–196.
- Аршинский В.Л. Методический подход к событийному моделированию в исследованиях энергетической безопасности / Аршинский В.Л. // Труды XV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении», ч. II, – 2010. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН – С. 120–129.
Отпечатано в ИСЭМ СО РАН
664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Заказ 107. Тираж 100 экз.
[1] Под энергетической безопасностью страны понимается состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения. Под исследованиями проблемы энергетической безопасности понимаются исследования направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности.
[2] ПК ИНТЭК-М реализован сотрудником лаборатории информационных технологий ИСЭМ СО РАН Д.А. Фартышевым, под руководством Л.В. Массель.
[3] Индикативный анализ ЭБ – подход к оценке уровня ЭБ, разработанный в ИСЭМ СО РАН под руководством д.т.н. Сендерова С.М.
[4] Универсальное ядро графического моделирования grModeling разработано сотрудником лаборатории информационных технологий ИСЭМ СО РАН к.т.н. Копайгородским А.Н
