Автоматизированное проектирование целевых строительных программ на основе логико-смыслового моделирования

Важнейшей функцией любого государства, независимо от его типа, является осуществление тех общественно необходимых мероприятий, которые не могут быть проведены за счет средств какой-либо части общества, но отвечают интересам всего населения страны. Государство может оказывать прямое или косвенное воздействие на различные сферы деятельности общества. В странах демократического устройства это, в основном, правовое и экономическое воздействие. Также сюда можно отнести и целевые государственные программы, которые являются направленными воздействиями на ту или иную общественную сферу.

Актуальность разработки и реализации целевых программ в социально-экономической сфере обусловлена тем, что в переходный период старые общественные институты уже не функционируют, а новые пока не созданы или. малоэффективны. Поэтому становится весьма важной разработка методов автоматизированного проектирования и анализа целевых программ, что и обуславливает актуальность выбранной темы диссертационной работы.

В соответствии с порядком разработки и реализации федеральных целевых программ и межгосударственных целевых программ, в осуществлении которых участвует РФ [78], целевые программы — это увязанный по ресурсам, исполнителям и срокам осуществления комплекс научно-исследовательских, опытно-конструкторских, производственных, социально-экономических, организационно-хозяйственных и других мероприятий, обеспечивающих эффективное решение в области государственного, экономического, экологического и культурного развития РФ. По существу, целевые программы — это функциональные системы, включающие комплекс взаимосвязанных подсистем, позволяющих достигать задаваемые цели в конкретной отрасли или области человеческой деятельности, требующие длительного срока осуществления. В полной мере это относится и к целевым программам в отрасли строительство — целевым строительным программам.

Целевые программы представляют собой концептуальные описания определенной проблемной области в совокупности с прогнозным планом ее развития. Многомерность и сложность проблемной области, необходимость учета влияния на нее различных факторов требуют применения системного подхода к созданию целевых программ. В рамках этого подхода проблемная область рассматривается как система, а поставленная в программе цель — как системообразующий фактор.

В разработке целевых программ можно выделить два глобальных уровня:

1. уровень обобщенного описания (мета-уровень);

2. уровень детального описания.

На первом уровне определяется сама проблемная область, формируется ее концептуальное описание, выявляются основные тенденции развития, уже существующие в действительности, и определяется желаемое развитие исследуемой проблемной области в будущем.

На втором уровне определяются конкретные задачи, возникающие в рамках сформулированной на первом уровне концепции. Решение поставленных задач делегируется соответствующим структурным подразделениям управления.

Первый уровень является наиболее важным при разработке целевых программ, так как неверно или неполно определенная проблемная область, непродуманная концепция могут привести не только к тому, что проблемы не будут решены, но и к пагубным, катастрофическим последствиям. Настоящая работа направлена на решение задач первого уровня.

Целью диссертации является разработка метода автоматизированного построения и анализа целевых строительных программ как функциональных систем, декомпозиция их на взаимоувязанные подсистемы и выявление приоритетных подсистем при реализации целевых программ.

Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

1.анализ назначения, содержания и порядка разработки целевых программ в области строительства (целевых строительных программ);

2.автоматизированное представление целевых строительных программ как комплекса взаимоувязанных подсистем;

3.разработка метода формирования структуры целевых строительных программ с различной степенью детализации;

4.разработка метода структурного анализа и декомпозиции целевых строительных программ для выявления приоритетных подсистем и направлений их реализации;

5.построение с помощью разработанных методов модели конкретной целевой строительной программы, ее исследование для получения практических рекомендаций по совершенствованию целевой программы.

Объект исследования: целевые программы и методы их проектирования и анализа.

Предмет исследования: представление целевых программ как комплекса взаимосвязанных подсистем и определение их характеристик.

Методологическая база исследования: теория функциональных систем, системный анализ, системотехника строительства, экспертные методы, теория представления знаний, теория графов.

Рассматривая государственные целевые программы как комплекс взаимоувязанных мероприятий, направленных на достижение определенной цели, необходимо отметить, что, как правило, данные мероприятия осуществляются в различных сферах человеческой деятельности и, следовательно, их компоновка требует привлечения знаний из различных предметных областей. Поэтому необходима разработка систем автоматизированного проектирования для формирования и оценки целевых программ, которые, не исключая участия человека, являлись бы вспомогательным средством при формировании структуры целевой программы и определении приоритетных направлений ее реализации. Применение методов автоматизированного проектирования к созданию целевых программ позволит увеличить объем используемой информации и, в некоторой степени, исключить субъективное влияние отдельных групп лиц, что, в конечном итоге, повысит целостность программ и адекватность их реальной действительности.

Как отмечается в работе [23], в настоящее время бурного развития компьютеризации народного хозяйства и капитального строительства правильное понимание существа и растущей экономической значимости промышленной эксплуатации информационных ресурсов в строительстве с целью создания новой технологии обработки информации является важнейшим направлением ускорения развития строительства.

Очевидно, что описание предметной области целевой программы, построение ее адекватной модели невозможно строгими количественными методами. Здесь мы имеем дело с качественной информацией, объем которой огромен. Информация обычно представляется в виде некоторых текстовых документов.

Как отмечается в работе [50], целью автоматизированного анализа текстовых источников является извлечение информации на заданную тему и создание целостного представления о некотором фрагменте (объекте) действительности. Подобная проблема возникает в процессе деятельности аналитических служб, функционирующих в разных областях.

Как отмечает Поспелов Д. А. [80], управление сложными объектами невозможно без привлечения качественной информации, которая не может быть выражена количественно. Это семантическая, т. е. смысловая, качественная информация.

Таким образом, для разработки и анализа целевых программ требуются методы, оперирующие с качественной информацией, представленной в текстовой форме. Такие методы существуют, например, семантические сети. Под семантической моделью сложного объекта понимается некоторое формальное представление об объекте, являющееся результатом усвоения информации из некоторых источников. Семантическая модель сложного объекта должна адекватно отражать его структуру, описывать его составные части, их отношения, а также свойства и поведение этих частей.

Принимая во внимание, что целевые программы предназначены для преобразования окружающего нас мира, для изменения каких-то его параметров, необходимо учитывать такую характеристику рассматриваемой информации как ее смысловое содержание, т. е. каждое понятие отражает реальный или абстрактный объект, процесс или явление. При таком подходе к созданию целевых программ можно построить структурное описание проблемной области, которое складывается из смысловых элементов и связей между объектами, которые они отражают.

Существует метод, примыкающий к направлению семантического моделирования, который позволяет оперировать смысловой информацией. Он был разработан в нашей стране в 70-х гг. и называется логико-смысловым моделированием [64, 65,41, 92, 94].

Метод логико-смыслового моделирования применяется в двух основных направлениях [44]:

•формирование и оценка проектных решений (в том числе в области строительства)

•анализ и оптимизация организационных структур с учетом выполняемых работ.

Задачи, решаемые в рамках первого направления близки к задачам, которые необходимо решать при формировании и анализе целевых программ, а также опыт применения данного метода в области строительства говорит о возможности использования метода логико-смыслового моделирования для решения поставленных в диссертационной работе проблем в области автоматизированного проектирования государственных целевых программ.

Применяя метод логико-смыслового моделирования в процессе создания целевой программы, можно не только получать структурную модель исследуемой предметной области, но и оценивать ее.

Элементом логико-смысловой модели являются высказывания на естественном языке. Связи, существующие между явлениями и объектами, которые отражают эти высказывания, фиксируются в логико-смысловой модели и получается сеть, описывающая проблемную область.

Логико-смысловое моделирование развивается в двух направлениях:

1. построение тематически единых изложений как отдельных областей проблемы, так и всей проблемной области в целом;

2. структурный анализ проблемной области.

В рамках второго направления выполняется декомпозиция исходной системы на отдельные подсистемы, охватывающие определенный блок задач, и устанавливаются взаимосвязи подсистем.

Первое направление состоит в разработке методов построения «разверток» [64], т. е. выделении из общей системы когнитивных элементов логико-смысловой сети некоторых элементов, относящихся к заданной тематике. Это направление находит практическое применение при создании гипертекстовых систем.

В работе [119] отмечается, что главной проблемой теории систем и ее приложений является сложность системы. Постоянное желание строить и управлять все более сложными и большими системами привело к тому, что ортодоксальная концепция высокопроизводительной системы, управляемой центральным компьютером, устарела. Появились новые понятия, такие, как подсистемы, взаимосвязи, распределенные вычисления, нейронные сети, параллельные обработки.

Ни внутренняя, ни внешняя природа сложных систем не может быть точно описана в терминах детерминированного или стохастического подхода.

Можно рассматривать динамическую систему как совокупность взаимосвязанных подсистем, известных как физические объекты или чисто математические творения, идентифицируемые с помощью соответствующего расчлененного алгоритма. В любом случае можно воспользоваться преимуществом специальных структурных особенностей декомпозиционной системы и значительно понизить размерность в задачах управления. Предполагается, что каждая подсистема может рассматриваться независимо, а общее решение является некоторой комбинацией частных.

Логико-смысловая модель представляется в виде связного неориентированного графа, где вершины соответствуют высказываниям, а ребра — смысловым связям между ними. Характеристики графа используются для исследования логико-смысловой сети. Например, валентность вершины интерпретируется как абсолютная значимость соответствующего ей высказывания в системе.

Научная новизна работы заключается в разработке метода декомпозиции предметной области целевой программы на подсистемы путем поиска /?-медианы и связанных подмножеств на основе логико-смыслового моделирования и теории графов, а также комплекса показателей для оценки полученных подсистем и их взаимосвязей.

На защиту выносятся:

— метод структурного анализа целевых строительных программ, представленных в виде системы взаимосвязанных мероприятий на основе логико-смыслового моделирования (ЛСМ) и теории графов;

— система показателей оценки целевых программ.

Для решения последней из задач, поставленных в настоящей работе, т. е. для апробации разработанного метода, выбрана государственная целевая программа «Жилище» .

Жилье является жизненно необходимой потребностью человека, и острейшие проблемы жилья существуют у высокоразвитых и даже процветающих стран.

С особой остротой проблема жилья в нашей стране встала с переходом экономики к рыночным отношениям. Из «бесплатного» для жителей нашей страны жилье стало невообразимо дорогим. Государственную собственность на жилье потеснила частная. Миллионы людей в России потеряли надежду «получить» жилье и пока не обрели возможности приобрести его из-за недоработанности системы кредитования, непомерной дороговизны, снижения платежеспособности широких народных масс и т. д. Положение в настоящее время усугубляется общим глубоким кризисом экономики России и ее строительного комплекса, спадом производства, нарастающей безработицей, отсутствием условий для выгодного инвестирования капитала в жилищное строительство и развитие стройиндустрии [28].

В связи с этим важны как практические шаги на федеральном, региональном и муниципальном уровнях по разрешению жилищной проблемы, так и фундаментальные научные исследования на данную тему.

Несмотря на успехи, достигнутые в области жилищного строительства и значительные масштабы ежегодного ввода в эксплуатацию новых домов, жилищная проблема все еще остается весьма острой. Актуальность и социальная значимость этой проблемы в последние годы не снизилась. Людям нужна не просто крыша над головой, а благоустроенная квартира или индивидуальный дом со всеми удобствами, достаточно просторные для того, чтобы каждый член семьи мог себя чувствовать уютно и свободно. Для того, чтобы решить эту проблему, общество должно перейти на интенсивный тип воспроизводства жилищного хозяйства, позволяющий применять более эффективные средства производства. Обеспечение развития жилищного строительства по интенсивному пути означает наряду с полным и рациональным использованием уже имеющего строительного и ремонтного потенциала, быстро увеличивать его масштабы за счет широкого использования достижений современной науки и техники, а также их ориентации на создание более качественных, экономичных строительных материалов и принципиально новой, эффективной технологии [28].

Таким образом, выбор в качестве объекта исследования государственной целевой строительной программы «Жилище» обусловлен как актуальностью и высокой социально-экономической значимостью жилищной проблемы, так и тем, что существует возможность анализа и оценки результатов реализации данной программы за достаточно большой срок и сравнения этих результатов с результатами применения разработанного в настоящей работе метода выявления приоритетных направлений реализации целевых программ в области строительства.

Практическая значимость работы. Совокупность методов и результатов, представленных в диссертации, позволяет осуществлять построение и анализ целевых строительных программ как функциональных систем, проводить декомпозицию на взаимоувязанные подсистемы и выявлять как приоритетные подсистемы при реализации целевых программ так и недостаточно проработанные с системной точки зрения аспекты целевых программ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXIX межвузовской научно-технической конференции (Пенза, ЦНТИ, 1997), на XIX научно-технической конференции, секция 2 (Пенза, ПВАИУ, 1997).

Внедрение результатов работы. Практические рекомендации по совершенствованию целевой государственной программы «Жилище» использованы при разработке региональных мероприятий в жилищной сфере в Пензенском муниципальном внебюджетном фонде «Жилье», в г. Новгороде при разработке региональных целевых программ и переданы для использования в секцию «Строительство» Российской Инженерной Академии.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Целевые программы являются важным инструментом воздействия на различные общественные сферы и области человеческой деятельности. Значимость их, в том числе и целевых программ в отрасли строительства (целевых строительных программ), возрастает в переходный для нашей страны период в связи с тем, что разрушены старые общественные институты, а новые еще не созданы или не функционируют. Проведенный анализ развития целевых программ и методов их проектирования показал, что для эффективной реализации целевых программ необходим системотехнический подход к их проектированию и анализу;

2. Установлено, что при проектировании целевых программ могут быть выделены концептуальный и детальный уровни описания. Наиболее важным является концептуальный уровень, информация на котором носит качественный смысловой характер и выражена на естественном языке. Для обработки такой информации необходимы специальные методы семантического анализа;

3. Для осуществления автоматизированного проектирования целевых программ выбран метод логико-смыслового моделирования, позволяющий на основе анализа текстовой информации выделять когнитивные элементы, соответствующие объектам целевой программы и устанавливать между ними смысловые связи. Применение данного метода позволяет создавать структурную схему целевой программы на уровне концептуального проектирования и осуществлять ее анализ;

4. Проанализированы методы формирования информационного массива логико-смысловой модели и установления связей между его элементами. Установлено, что введение типизации связей между элементами не позволяет осуществлять автоматизированную обработку модели, но является одним из возможных путей повышения эффективности применения метода логико-смыслового моделирования. Выделены основные этапы применения метода логико-смыслового моделирования к проектированию и анализу целевых программ;

5. Обосновано введение показателя относительной важности когнитивного элемента и предложено его использование на двух уровнях: для построения структурной схемы с различной степенью детализации и для декомпозиции модели на подсистемы. Разработан алгоритм построения укрупненной граф-схемы логико-смысловой модели целевой программы с различной степенью детализации на основе показателя относительной важности элементов;

6. Для декомпозиции исходной системы когнитивных элементов предлагается, используя показатель относительной значимости, осуществлять построение^{-медианы} графа логико-смысловой модели. Выбран и адаптирован алгоритм построения р-медианы и связанных подмножеств вершин графа, образующих подсистемы. Разработана система характеристик для оценки полученной декомпозиции, которая включает показатели для оценки отдельных подсистем, подсистем как части системы и для оценки системы в целом. Предложены способы определения числа подсистем: в зависимости от специфики задачи и путем анализа показателя плотности декомпозиции;

7. Экспериментальное применение разработанных методов автоматизированного проектирования целевых строительных программ было проведено на основе государственной целевой программы «Жилище», которая имеет важную социально-экономическую значимость. Построена логико-смысловая модель программы «Жилище», отмечена необходимость предварительного разбиения предметной области на тематические уровни для эффективного построения полной модели. Для программы «Жилище» такие уровни выделялись исходя как из аспектов самой программы, так и из общепринятого системотехнического разбиения строительных объектов на подсистемы;

8. Построенная логико-смысловая модель программы «Жилище» проанализирована с помощью разработанного метода декомпозиции. В данной программе выделено 13 подсистем, соответствующих основным направлениям ее реализации и построена схема взаимодействия подсистем. При сравнительном анализе подсистем и системы в целом выявлена недостаточная проработанность некоторых направлений программы «Жилище» и выработаны рекомендации по ее совершенствованию. Выработанные рекомендации по совершенствованию государственной целевой программы «Жилище» в основном соответствуют «узким» местам данной программы, впоследствии выявленным в «Основных направлениях нового этапа реализации государственной целевой программы «Жилище», что доказывает эффективность и достоверность разработанных методов.

Ill