Разработка когнитивных моделей и программных средств для анализа процесса функционирования социально-экономических систем

Актуальность темы

исследования.

Тенденции модернизации классических теорий региональной экономики посредством их выражения на языке современной математики сопровождается значительным расширением и усложнением применяемого математического аппарата. Сфера эффективного применения математического моделирования ограничивается главным образом возможностями формализации социально-экономических ситуаций и состоянием информационного обеспечения разработанных моделей.

Большие затруднения для продолжения исследований по моделированию создает информационная недостаточность, усилившаяся в переходном периоде: проблемы информации о частном секторе, расширение разнообразных форм теневой экономики, перевод статистики на новую методологию и, как следствие, отсутствие достаточно длинных динамических рядов сопоставимых данных. Непоследовательная экономическая политика, неустойчивый характер экономических процессов, хаотичное изменение «правил игры» выдвигает новые требования к моделированию: оценку кризисных ситуаций, последствий распада прежних экономических связей и т. п. Для формализации подобных ситуаций требуется создание новых теорий, математического и инструментального аппаратов и соответствующих моделей. Необходим инструментарий, подходящий для стратегического планирования и управления региональными социально-экономическими процессами, комплексного анализа условий регионального развития. Однако разнообразные по применяемому математическому аппарату и форме математических зависимостей модели не охватывают различные аспекты функционирования региональной экономики в комплексе. Поэтому актуальной является задача поиска методики (и ее инструментальной реализации) системного анализа регионального развития с учетом возможностей человеко-машинного диалога и проведения комплексных модельных экспериментов.

При изучении регионального развития с позиций системного подхода в круг решаемых задач следует включать идентификацию объекта, исследование связности, сложности, устойчивости, исследование причинно-следственных связей и системной динамики. Решение данных проблем в совокупности позволяет на высоком уровне обоснования оценить последствия принимаемых решений и добиться более эффективного управления.

Степень разработанности проблемы.

Большой вклад в развитие теории и практики региональных исследований внесли ученые отечественной школы: И. Г. Александров, H.H. Баранский, B.C. Немчинов, H.H. Некрасов, А. Е. Пробст, Ю. Г. Саушкин, Я. Г. Фейгин, Р. И. Шнипер и др. Среди иностранных исследователей отметим Дж. Кейнса, Й. Тюнена, А. Вебера, У. Айзарда, А. Леонтьева и др. Теории развития региона опираются на достижения макроэкономики, микроэкономики, институциональной экономики и других направлений современной экономической науки. Наиболее распространенными задачами исследования являются: закономерности, принципы и факторы размещения производительных сил, экономическое районирование, анализ межрегиональных связей, методы планирования и регулирования регионального развития. Эволюция теории региона отражает повышение роли «нематериальных» целей и факторов экономического развития, возможности междисциплинарных знаний и перехода регионов на модель устойчивого развития. В этой связи необходимо отметить роль системного анализа и теории систем. В данной области большой вклад внесли Волкова В. Н., Денисов A.A., Моисеев В. Н., Прангишвили И. В., Гиг Дж., Касти Дж. и другие.

С методами системного анализа тесно связан когнитивный подход, разработанный психологами (работы Р. Солсо, Т. Куни и др.), под которым понимается решение традиционных для различных наук проблем методами, учитывающими когнитивные аспекты (процессы восприятия, мышления, познания, объяснения и понимания). В настоящее время когнитивное моделирование является основанием программно-методологических разработок отдельных секторов ИЛУ РАН. Это, например, «Интегрированный информационно-аналитический комплекс ситуационного анализа» (труды Качаева C.B., Макаренко Д.И.), ориентированный на реализацию когнитивной технологии стратегического управления развитием сложных социально-экономических объектов в нестабильной внешней среде. Существует также комплекс «ИМПАН», предназначенный для моделирования систем различного назначения с использованием аппарата знаковых орграфов (труды Кульбы В. В., Ковалевского С. С., Кононова Д. А., Чернова И. В., Шелкова А. Б. и др.).

Развитие теории когнитивного моделирования, связанное с использованием информационных технологий, направлено на расширение возможностей существующего математического аппарата, комплексного применения различных методов системного анализа для повышения обоснованности и практической применимости получаемых модельных результатов. С учетом всего вышесказанного, в диссертации определены следующие объект, предмет, цели и задачи исследования.

Объект и предмет исследования.

Объект — региональная социально-экономическая система. Предмет — процесс функционирования региональных социально-экономических систем и когнитивные имитационные модели их развития.

Цель и задачи исследования

.

Цель — разработка на основе когнитивного подхода моделей и программных средств исследования региональных социально-экономических систем и проектирование стратегий их устойчивого развития.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

— адаптировать методику когнитивного моделирования к исследованию региональных социально-экономических систем, на основе которой разработать программные средства для интеллектуальной системы поддержки управленческих решений;

— разработать программную систему когнитивного моделирования (ПС КМ) социально-экономической системы (идентификация, анализ путей и циклов когнитивной модели, анализ устойчивости системы, сценарный анализ в диалоговом режиме с экспертом) для блоков поддержки управленческих решений в интеллектуальных системах;

— провести с помощью ПС КМ на примере двух регионов (Особая Экономическая Зона в Калининградской области и долина Теннесси — США) их когнитивную структуризацию и имитационное моделирование с целью сопоставления полученных результатов с имевшим место развитием ситуаций и анализа применимости предлагаемого теоретико-инструментального аппарата в формировании моделей эффективного управления регионом;

— провести анализ статистических и экспертных данных по основным социально-экономическим показателям развития республики Адыгея для построения когнитивных моделей, отражающих механизм функционирования экономики республики;

— разработать когнитивные модели региональной социально-экономической системы республики Адыгея и провести когнитивное моделирование для обоснования управленческих решений по эффективному развитию исследуемого объекта.

Теоретико-методологическая основа исследования.

Для достижения поставленной цели исследования и решения соответствующих задач были использованы: методы макрои микроэкономики, когнитивное моделирование в сочетании с методами теории графов, теории системного анализа, теории устойчивости, сценарного анализа, методами имитационного моделирования.

В качестве инструментария разработки программных средств была использована система программирования Visual С++6.

Информационно-эмпирическая база исследования.

В работе были использованы отчетные материалы министерства социально-экономического развития Республики Адыгея: «Основные показатели, представляемые для разработки прогноза социально-экономического развития Российской Федерации на 2000 г. и на период до 2003 г.», «Государственный доклад об итогах социально-экономического развития республики Адыгея, 2003 г.», «Комплексный доклад государственного комитета по статистике Республики Адыгея и Министерства экономического развития и торговли Республики Адыгея «О социально-экономическом положении РА в 1991;2000 гг.».

Работа выполнена в рамках паспорта специальности 08.00.13 -Математические и инструментальные методы экономики, п. 1.7 «Построение и прикладной экономический анализ экономических и компьютерных моделей национальной экономики и ее секторов», п. 2.3. «Разработка систем поддержки принятия решений для рационализации организационных структур и оптимизации управления экономикой на всех уровнях».

Положения, выносимые на защиту:

— адаптированная к условиям региона методика когнитивного моделирования региональных социально-экономических систем, включающая методы построения когнитивных карт, исследования структуры объекта, анализа устойчивости, имитационного моделирования сценариев развития объекта, позволяющая провести разработку программных средств для системы поддержки принятия управленческих решений на основе когнитивного моделирования;

— программная система когнитивного моделирования, включающая модули: создания и корректировки когнитивной модели, импульсного моделирования, анализа устойчивости, структурного анализа. Система позволяет разрабатывать различные сценарии развития социальноэкономических процессов, определять соответствующие им управленческие решения и выбирать среди них наилучшие;

— когнитивные модели: развития Особой Экономической Зоны в Калининградской области (построена на основании соответствующей федеральной программы) — развития долины Теннесси (США), а также результаты исследования на моделях, показавших применимость используемого аппарата знаковых ориентированных графов для имитации региональных социально-экономических процессов и поиска путей воздействия на сложившуюся ситуацию;

— структурированные блоки показателей, индикаторов, факторов, (целевых и управляющих) и их взаимосвязи, позволившие разработать когнитивные модели социально-экономической системы республики Адыгея, предназначенные для проведения структурного анализа и имитационного моделирования развития региональных социально-экономических процессов;

— результаты когнитивного моделирования социально-экономической системы республики Адыгея (построение когнитивных моделей, анализ структуры системы, анализ ее устойчивости, импульсное моделирование), позволившие предложить сценарии развития республики Адыгеясценарии предусматривают становление на путь устойчивого развития за счет реструктуризации дотационности бюджетной системы, развития производства, помощи федеральных властей.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в:

— адаптации к условиям региона методики когнитивного моделирования, отличающейся комплексностью и взаимосвязанностью решаемых проблем, и дающей возможность проводить анализ последствий вырабатываемых управленческих решений-.

— решении (в диалоговом режиме с экспертом) системы взаимосвязанных задач когнитивного моделирования, что отличает разработанную программную систему когнитивного моделирования от существующих программных средств возможностью рассматривать в комплексе системные задачи исследования устойчивости, структурного анализа и имитационного моделированияэто дает возможность генерировать и сравнивать различные управленческие решения и сценарии развития;

— разработке структур блоков показателей, факторов регионального развития, часть из которых была ранее апробирована в качестве элементов различных когнитивных карт, а часть представляет собой цели регионального развития, сформулированные с учетом требований системности. Разработанная структура позволяет совместить представление различных макро — и микропоказателей и соответствующих им инструментов, а также поставленных целей в рамках единой схемы и создать на ее основе когнитивные модели региональной социально-экономической системы республики Адыгея;

— разработке моделей социально-экономической системы республики Адыгея, построенных с помощью адаптированной методики когнитивного моделирования. Модели позволили учесть нечетко постулируемые зависимости и сформировать сценарии, могущие послужить основой разработки программы устойчивого развития региона.

Теоретическая и практическая значимость исследования Научные положения, выдвинутые в работе, развивают теоретические основы и методологию анализа сложных социально-экономических систем и принятия управленческих решений в условиях воздействия внешней среды. Применение результатов диссертационного исследования способствует решению важной народнохозяйственной задачи: определению условий устойчивого развитию региональной социально-экономической системы за счет выбора и реализации наиболее выгодных сценариев управляющих воздействий. Разработанная в диссертации модель интеллектуальной системы поддержки принятия решений позволяет повысить качество и скорость принимаемых решений, оценивать будущее развитие региональных ситуаций, предупреждать негативные тенденции регионального развития, увеличить уровень информированности ЛПР при принятии решений.

Результаты работы могут быть использованы:

— при проектировании интеллектуальных систем принятия решений в сложных системах на основе имитационного моделирования;

— при построении и анализе когнитивных моделей сложных систем различной природы;

— в региональном анализе при формировании и исследовании системной модели региона;

— при разработке сценариев регионального развития для выработки рекомендаций министерствам и ведомствам, связанных с формированием и реализацией региональной политики.

Результаты работы могут быть также полезны при изучении курсов системного анализа и социально-экономического прогнозирования, а также для исследователей с точки зрения доработки предложенных подходов.

Апробация работы.

Научно-методические разработки автора по теме диссертационного исследования прошли апробацию на научных, научно-практических конференциях международного, федерального и регионального уровней. Автор участвовал в пяти международных, региональных и межвузовских конференциях и семинарах с докладами и выступлениями по теме диссертационного исследования.

Результаты диссертации были использованы в научно-исследовательских работах, проведенных в НИЧ ТРТУ. Применение программы позволило проанализировать эффективность разработанных моделей оценки состояния сложного технического объекта и наметить пути реализации данных моделей в распределенных микрокомпьютерных системах мониторинга. Материалы диссертационного исследования вошли в проект № 0502−2 199а РГНФ в 2005 г. Исследования автора также были внедрены в практику проведения лекционных, практических и лабораторных занятий на кафедре Государственного и муниципального права и управления Таганрогского государственного радиотехнического университета. Основные результаты исследования опубликованы в 11 работах (авторских 3,79 п.л.).

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников (143 наименования) и восьми приложений, содержит 17 таблиц и 52 рисунка. Работа содержит 209 страниц, в том числе основной текст 171 страницу.

Выводы.

1. При исследовании регионального развития необходимо использование системного подхода, элементов имитационного моделирования и структурного анализа. Однако на практике реализация указанных требований, как правило, не выполняется в связи с отсутствием готовых, апробированных на реальных данных, методик решения поставленных задач, учитывающих особенности и свойства региональных СЭС. Поэтому необходима разработка и исследование соответствующих когнитивных моделей, формирование правил региональных исследований на основе когнитивного моделирования. Предложенная методика исследования региональной социально-экономической системы, сочетающая когнитивный подход к построению модели, структурный анализ (на основе методов исследования сложных систем и теории графов), а также динамическое имитационное моделирования развития импульсных процессов, позволила получить новые результаты применительно к конкретному регионуРеспублике Адыгея. Методика также может быть использована при исследовании других российских регионов на основе когнитивного подхода. Отличительной особенностью выбранной методики моделирования является отсутствие требования к знанию точных числовых соотношений между компонентами системы, что позволяет создавать когнитивные карты, описывающие сложные социально-экономические процессы.

2. Системное исследование региональной СЭС характеризуется взаимосвязанностью решаемых задач: решение одной задачи часто является основанием для решения следующей, а некоторые из задач невозможно решить без предыдущих. Решение наиболее общих определяющих задач регионального системного анализа: идентификации объекта (построение когнитивных карт) и сценарное моделирование не может в полной мере обеспечить проведение системного исследования. Поэтому на основе предложенной методики было проведено комплексное системное исследование регионального развития и получен ряд новых результатов.

Использование методов структурного исследования сложных систем: выделение циклов взвешенного орграфа, анализа устойчивости по значению и по возмущению системы по мере ее эволюции, позволило выявить структурные особенности построенных моделей. Во-первых, взвешенные орграфы, представляющие когнитивные модели, являются устойчивыми по возмущению и по значению, то есть система характеризуется способностью к поглощению внешних возмущений без резко выраженных последствий для ее поведения. Поэтому для поддержания прироста значений социально-экономических показателей необходимо постоянное воздействие со стороны управляющих факторов. Во-вторых, все циклы взвешенного орграфа соответствуют контурам положительной обратной связи, характеризующих усиление тенденции к отклонению от данного состояния. Это означает, что не будет серьезного подавления внешних возмущений в вершинах моделей и форма функционального изменения значений показателей будет линейного или экспоненциального вида, но не периодической (с колебаниями).

3. Существующая структура регионального бюджета Республики Адыгея является в большой степени (примерно наполовину) дотационной. Это означает, что республика не в состоянии самостоятельно обеспечить собственные потребности и достижение региональных интересов. Поэтому стоит задача максимально эффективного использования направляемых из федерального центра средств для создания условий самостоятельного развития региона и интеграции его в общероссийское экономическое пространство. Выходом из сложившейся ситуации может стать реструктуризация экономики, подъем промышленности и сельского хозяйства за счет внедрения в практику современных инновационных технологий, создания значительного интеллектуального потенциала, расширение и повышение качества образования. Реализация поставленных задач требует серьезных финансовых затрат, характеризуется высокой степенью риска и поэтому рассмотренные проблемы требуют дальнейшей проработки на уровне представителя Президента РФ в Южном Федеральном Округе и Правительства России.

Заключение

.

В диссертации разработана и использована программная система для поддержки принятия решений в сложных социально-экономических системах. Новым является пакет инструментальных средств когнитивного моделирования, построенный на основе когнитивного подхода, методах системного анализа и теории графов. Использование разработанной программной системы позволило по-новому подойти к решению проблем создания и исследования моделей региональной социально-экономической системы. В итоге впервые получены когнитивные модели и построенные на их основе сценарии социально-экономического развития российского регионаРеспублики Адыгея.

В результате проведенных исследований все задачи, поставленные в диссертационной работе были решены. К основным выводам, полученным в диссертации можно отнести следующие.

1. Современные условия развития региональных социально-экономических систем, изменение сферы и объемов деятельности, компетенции и ответственности региональных органов власти требуют от руководителей четкой, продуманной и обоснованной региональной политикисистемное, целостное видение региональных ситуаций является непременной предпосылкой разработки эффективных управленческих решений. Современная регионалистика обладает достаточно мощным инструментарием для исследования регионов и выработки рекомендаций по управлению ими. Однако в настоящее время не существует единой методологии регионального анализа, в которой практически был реализован системный подход. Поэтому научные исследования в области разработки и применения методов и методик, позволяющих согласовывать разнообразную и часто противоречивую информацию, синтезировать результаты применения различных моделей и методов принятия управленческих решений, весьма актуальны.

2. Для описания такой сложной системы как регион недостаточно использования традиционных количественных моделейнеопределенные, не поддающиеся количественному анализу закономерности часто влияют на функционирование региональных подсистем, обуславливают тенденции развития ситуаций и социально-экономическую динамику. Необходимо сочетание качественных и количественных моделей и методов системного анализа для формирования адекватных оценок в ситуациях и выработки управленческих решений. На основании принципов системного анализа были сформулированы следующие требования к методике анализа региона как сложной системы: изучение не только слабоструктурированного объектарегиональной социально-экономической системы, но и взаимодействия ее подчастей, а также взаимодействие объекта со средойвскрытие действия законов и закономерностей, которым следует социально-экономическая система как сложная организационная системасценарное моделирование развития социально-экономической системыобоснование решений по наилучшему управлению системой. За основу такой методики удобно взять когнитивный (познавательный) метод, основанный на теоретико-множественном и графическом описании систем.

3. Для решения задач моделирования развития социально-экономических систем, удовлетворяющего сформулированным требованиям, необходима разработка соответствующего программного обеспечения, представленного в виде блок поддержки принятия управленческих решений. При исследовании сложных объектов с помощью интеллектуальных систем поддержки принятия управленческих решений наиболее эффективной является технология имитационного моделирования, позволяющая изучать слабоструктурированные и неструктурированные ситуации, которые не могут быть легко формализуемы оптимизационными или другими моделями. Особенно удобным является визуальное имитационное моделирование, помогающее лицу, принимающему решения интерактивно взаимодействовать с моделью и наблюдать развитие результатов во времени. Технология когнитивного анализа предусматривает графическое представление модели и компьютерный имитационный анализ, поэтому она составит основу разрабатываемой программной системы.

4. Комплекс предложенных методов, включающий когнитивный подход к созданию модели, структурный анализ когнитивных карт и импульсный анализ распространения возмущений позволяет во взаимодействии с экспертами изучить качественные структурные особенности исследуемой системы и количественные динамические характеристики развития региона во времени. Сочетание представленных методов позволяет анализировать протекание региональных социально-экономических процессов на новом, недоступном ранее уровне, с более высокой степенью адекватностипринимать обоснованные, продуманные и прозрачные решения.

5. Проектирование и реализация блока поддержки принятия решений ПС КМ (программной системы когнитивного моделирования) проводились последовательно, в несколько этапов, в соответствии с техникой системного программирования. Разработанная программа сопровождается проектной документацией, которая частично была представлена в работе, поэтому возможно ее дальнейшее усовершенствование и доведение до уровня корпоративного применения для поддержки принятия решений в сложных социально-экономических системах.

Разработанная программная система обладает дружественным интерфейсом, позволяет в интерактивном режиме формировать и анализировать когнитивные модели, получать графические и текстовые результаты работы в удобной для пользователя форме. По сравнению с возможностями, реализованными в других подобных программных продуктах, ПС КМ дополнена удобными инструментами когнитивного моделирования: «склеивание» двух и более когнитивных карт в общую модельвыделение, графическое представление и перенос в новый файл данных различных структурных элементов когнитивных карт (циклов, путей и компонентов связности) — сохранение и редактирование разработанных сценариев развития импульсных процессоводновременное отображение графических результатов моделирования сразу нескольких сценариев (до 9), позволяющее проводить сравнительную оценку эффективности управляющих воздействий. Кроме того, усовершенствованы инструменты создания и представления когнитивных карт: исследователь может по своему усмотрению изменять кривизну соединяющих вершины дуг и расположения стрелок, задающих направление связи. Рядом с дугами можно представлять и вес соответствующих связейпо желанию пользователь может также изменять размер выводимых на картах названий вершин.

7. С помощью разработанной компьютерной программы проводилось имитационное моделирование региональных социально-экономических процессов, связанных с установлением рыночных отношений. Проблемы и взаимосвязи между ними были структурированы в виде когнитивной карты, отражающей внутренние и внешние связи региона. Имитирование сокращения финансовой поддержки регионов из центра привело к ожидаемому результату: упало производство, снизились доходы регионального бюджета и ухудшился уровень жизни населения. Для того, чтобы ответить на вопрос, каким образом возможно выйти на устойчивое региональное развитие необходимо также рассмотреть и включить в модель существующие инструменты региональной социально-экономической политики.

8. Проведенная структуризация и моделирование воздействия макрорегуляторов на поведение системы позволили получить результат, показавший, что в отсталых дотационных регионах макроэкономическое государственное регулирование в условиях ограниченности материально-финансовых ресурсов дает временный эффект. Для ускорения социально-экономического развития необходимо непосредственное воздействие на деятельность субъектов региональной экономики, то есть использование микрорегуляторов. Для построения микромодели была разработана специальная методика создания многослойных когнитивных карт, учитывающая различные уровни принятия и реализации решений субъектами, включившая уровень применения микрорегуляторов. Разработанная микромодель позволила дать качественное описание процессов и вариантов стимулирования развития региона с помощью микроинструментов региональной политики, дополнив полученные ранее результаты моделирования когнитивных карт регионального экономического механизма и макроэкономической модели региона.

9. Разработанный компьютерная программа на основе адаптированной методики когнитивного моделирования позволил реализовать имитацию действия региональных программ с учетом комплексного влияния количественных и качественных факторов, макрои микрорегуляторов. Анализ соответствия получаемых результатов реальной действительности проводился на примере управления Особой Экономической Зоной в Калининградской области. Имитировалось введение ограничений на беспошлинный импорт товаров и аукционная продажа квотв результате наблюдался рост регионального производства (за счет повышения конкурентоспособности отечественных предприятий) и увеличение отчислений на реализацию программы регионального развития. Таким образом, предложенный программно-методологический инструментарий показал свою применимость не только к анализу частных региональных моделей, но и к построению сценариев реализации региональных программ, учитывающих сложный механизм реализации целей с помощью комплексного воздействия управляющих факторов. Когнитивное моделирование позволяет создавать и исследовать модели региональных социально-экономических систем и анализировать пути реализации стратегических целей устойчивого развития.

10. Проведенный анализ ситуации в российском регионе — Республике Адыгея, показал существование серьезных проблем, связанных с неудовлетворительным уровнем жизни населения, неэффективной структурой производства, снижающимся уровнем занятости населения, дотационностью местного бюджета. Выход из сложившейся ситуации состоит в формировании согласованной целенаправленной политики комплексного воздействия на социально-экономическую систему местными и федеральными регулирующими органами, оптимизации распределения направляемых ими ресурсов.

11. Построенные с помощью разработанного программного инструментария сценарии социально-экономического развития Республики Адыгея в среднесрочном периоде показали необходимость разработки и реализации федеральных целевых программ, регулирования создания и внедрения наукоемких технологий, образования инновационных центров и привлечение в эту сферу трудовых ресурсов. Имитационное моделирование позволило оценить темпы регионального развития регулируемого за счет средств местного бюджета, которые оказались неудовлетворительными.

12. Предложенная адаптированная методика когнитивного моделирования показала свою эффективность при изучении проблем конкретного российского региона — Республики Адыгея. Поэтому необходимо продолжать вести разработку использования парадигмы когнитивного моделирования в региональных исследованиях, новые аспекты, схема и методы которого предложены в диссертации.

Результаты проведенного исследования позволили приблизиться к целям разработки планов эффективной региональной политики, показали применимость предложенных математических методов и разработанного программного инструментария для анализа региональной социально-экономической системы. Дальнейшие исследования, связанные с диссертационной работой целесообразно вести в направлении разработки и внедрения в существующие программные средства функций передачи и обработки логической экспертной информации, которые позволят накапливать, анализировать в процессе когнитивного моделирования и эффективно использовать в управлении выраженные в виде правил знания экспертов.