Автоматизированное проектирование пространственно распределенных многофакторных динамических систем с использованием имитационного моделирования и ГИС-технологий: По данным Владимирской области

Актуальность работы

Современный этап развития информационных технологий характеризуется широким применением математических методов для анализа, моделирования, прогнозирования и проектирования пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Для улучшения эффективности функционирования таких систем, как правило, требуется формулирование достаточно общих закономерностей, которые при математической формализации задачи должны быть сведены к известным зависимостям. Для большинства рассматриваемых в диссертационной работе систем, например, социально-экономических, в силу их специфики, многофакторности и чувствительности к изменению внешних условий, вывод постоянно действующих закономерностей весьма затруднителен. Более того, такие системы взаимосвязаны с другими системами того же, более низкого или более высокого уровня. Поэтому разработка и создание достаточно общих методик применения современных информационных технологий и соответствующего математического обеспечения для автоматизированного проектирования программных средств, направленных на моделирование, анализ и прогнозирование, а также проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем является актуальной задачей, возможной, однако, при определенной аппроксимации.

Целью диссертационной работы является разработка методик и программных средств автоматизированного проектирования, направленных на моделирование, анализ и прогнозирование, а также проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем на базе изучения динамики развития процессов, лежащих в основе управления такими системами, и с использованием географических информационных систем — ГИС-технологий.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

• разработан метод преобразования динамических моделей, созданных на базе методов системной динамики, в коды компиляторов языков программирования высокого уровня;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров на базе линейных многофакторных моделей с учетом колебаний и временных лагов для выявленных значимых факторов;

• предложена методика распределения ресурса изучаемой системы с учетом инфляционной поправки для многофакторной системы на базе общей статистической модели с критериями оценки качества ее функционирования, сформулированными экспертами;

• разработаны подходы и алгоритмы автоматизированного проектирования и созданы программные средства на основе алгоритмических языков высокого уровня для моделирования, анализа и прогнозирования значений управляющих параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, направленных на решение различных задач, включая проектирование пространственно-распределенных динамических многофакторных систем с использованием ГИС-технологий.

Научная новизна работы определяется решением задач в рамках поставленных целей соответствующими адекватными методами на базе математических подходов и современных информационных технологий, и сводится к следующему:

• разработан метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе методов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня;

• созданы алгоритмы для прогнозирования значений управляющих параметров и оценки соответствующих доверительных интервалов на базе линейной многофакторной модели, которая учитывает временные лаги выделенных значимых факторов без необходимости их прогноза;

• разработана общая статистическая модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок для социально-экономической системы) и алгоритмы распределения ресурса с ф учетом инфляционной поправки.

Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритмов автоматизированного проектирования и в создании с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных ft средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, которые позволяют осуществлять рациональное проектирование процессов, лежащих в основе управления пространственно распределенными динамическими системами с целью повышения их качества, а также ф снижения соответствующих затрат ресурсов. Используемый метод преобразования имитационных моделей в коды компиляторов алгоритмических языков высокого уровня позволяет значительно снизить стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

4 Реализация и внедрение результатов

Разработанные в диссертации модели, алгоритмы, программные и методические средства использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научно-исследовательских работах с участием автора в рамках ряда НТП Минобразования России и региональных программ.

Основные результаты работы внедрены в Счетной палате Владимирской области и в Департаменте образования Администрации Владимирской области, а также в Минобразовании России, во Владимирском государственном университете.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на следующих научно-технических совещаниях и конференциях:

— V международная конференция «Математические методы и информационные технологии в экономике», Пенза 2000;

— IV международная конференция «Идентификация систем и задачи управления», Москва, 26−28 сентября 2000 ИПУ им. Трапезникова РАН- .

— международная конференция «Гибридные системы MODEL VISION STUDIUM», Санкт-Петербург, 7−9 июня, 2001 г.

— международная конференция «Телематика 2001», Санкт-Петербург, 18−21 июня 2001 г;

— Всероссийская конференция «Телематика 2002» Санкт-Петербург, 3−6 июня 2002 г;

— Всероссийская конференция «Научные основы федерально-региональной политики в области образования», Владимир, 5−8 февраля 2002 г.

— международная конференция «Финансовый контроль и новые информационные технологии», Суздаль, 9−12 февраля, 2002 г.

— Всероссийская конференция «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1−4 ноября 2002 г;

— II международная выставка-конференция «Информационные технологии и телекоммуникации в образовании», Москва, 6−9 апреля, 2000 г;

III выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 21−24 ноября 2001 г;

IV выставка-ярмарка «Современная образовательная среда», Москва, ВВЦ, 1−4 ноября 2002 г.

Всероссийская конференция «Телематика 2003» Санкт-Петербург, 14−17 апреля 2003 г;

Всероссийская конференция-семинар «Российские регионы в современной системе непрерывного образования — на пути создания информационного общества», Владимир, 12−14 мая 2003 г. а защиту выносятся: метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе подходов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровняобщая статистическая модель с критериями оценки качества функционирования многофакторной ресурсозависимой системы (на основе экспертных оценок) и алгоритмы распределения ресурса с учетом инфляционной поправки (на примере социально-экономической системы по данным Владимирской области) — алгоритмы моделирования и прогнозирования динамических многофакторных систем на базе методов системной динамики и линейных многофакторных моделей с применением языков программирования высокого уровняподходы и алгоритмы проектирования и создания с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров пространственно-распределенных динамических многофакторных систем.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 23 изданиях, в т. ч. одной монографии, 13 статьях, а также представлены в научно-технических отчетах НИР в рамках ряда НТП Минобразования России и по региональным программам.

Объем и структура диссертации

Диссертация изложена на 171 страницах машинописного текста. Состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений.

Список литературы

содержит 101 наименование. Таблиц 17, рисунков 28.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, сводятся следующему.

1. Создана универсальная модель оценки качества функционирования многофакторной ресурсообеспечиваемой системы на базе линейных статистических моделей с учетом экспертных оценок, которая позволяет рационально распределять ресурсы системы.

2. Разработан метод преобразования имитационных моделей, реализованных на базе методов системной динамики, в коды для компиляторов алгоритмических языков высокого уровня, что позволяет в значительной степени снизить стоимость программных комплексов, содержащих такие модели.

3. Предложены алгоритмы автоматизированного рационального проектирования (с использованием ГИС-технологий) пространственно-распределенной системы, которая может быть представлена в виде группы подсетей, содержащих центральные ресурсообеспечивающие и второстепенные ресурсообеспечиваемые узлы. С помощью данных алгоритмов оказывается возможным рациональная транспортировка ресурсов в крупных сетях, которая была продемонстрирована на примере программы «Школьный автобус» Владимирской области.

4. Разработаны алгоритмы проектирования и создания с помощью алгоритмических языков высокого уровня и ГИС-технологий программных средств для моделирования, анализа и прогнозирования параметров сложных динамических систем на базе линейных многофакторных моделей и методов системной динамики, направленных на решение задач проектирования пространственно-распределенных динамических многофакторных систем. Эти программные средства предложено использовать для моделирования, анализа и прогнозирования бюджетных и социально-экономических процессов регионального уровня.

5. Осуществлено автоматизированное проектирование и созданы программные средства на базе разработанных моделей и алгоритмов для рационального проектирования пространственно-распределенных многофакторных динамических систем в условиях ограниченности ресурсов для ряда социально-экономических и других процессов (по данным Владимирской области). Данная методика автоматизированного проектирования доступна широкому кругу пользователей за счет низкой стоимости разработанных программных средств, использующих метод преобразования динамических моделей в код алгоритмического языка.

В заключении приношу благодарность и глубокую признательность моему научному руководителю проф. С. М. Аракеляну, научному консультанту доц. В. Г. Прокошеву за постоянную помощь и внимание к работе, моим соавторам, сотрудникам Департамента образования Администрации Владимирской области, Счетной палаты Владимирской области и Владимирского государственного университета за полезные рекомендации, предоставленные исходные данные и возможность работы по теме диссертации.