Метод синтеза сценарной динамической модели развития малого города Севера России тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Малыгина, Светлана Николаевна

• Малыгина, Светлана Николаевна
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Малыгина, Светлана Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

1. УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Общая концепция устойчивого развития.

1.2. Концепция устойчивых городов.

1.3. Город как социально-экономическая система.

1.4. Методы прогнозирования.

1.4.1 Метод среднесрочного прогнозирования (регрессионный анализ).

1.4.2. Макросистемный подход.

1.4.3. Метод системной динамики.

1.4.4. Выбор метода.

Выводы.

2 КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ГОРОДА.

2.1 Определение проблематики.

2.2. Состав и структура концептуальной модели.

2.3 Реализация концептуальной модели.

2.3.1 Экспертный метод декомпозиции концептуальной модели.

2.3.2 Экспертное задание набора покрывающих действий.

2.4 Язык представления модели.

Выводы.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕХОДА ОТ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ К МОДЕЛИ СИСТЕМНОЙ ДИНАМИКИ.

3.1. Реализация концептуальной модели в виде базы знаний.

3.2. Структура базы знаний социально-экономической системы города.

3.2.1. Декларативные знания базы знаний.

3.2.2. Процедурные знания базы знаний.

3.3 Технология синтеза на основе базы знаний модели системной динамики.

3.3.1. Генерация состава и структуры динамической модели.

3.3.2. Генерация информационных связей динамической модели.

3.4. Пример генерации на базе концептуальной модели динамической модели демографической подсистемы Города.

Выводы.

4. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРОДА АПАТИТЫ.

4.1 Язык динамического моделирования Powersim.

4.1.1. Общая характеристика и возможности.

4.1.2 Сравнительный анализ реализуемых системой методов интегрирования

4.2. Реализация динамической модели г. Апатиты.

4.2.1 Динамическая модель демографической подсистемы.

4.2.2 Динамическая модель подсистемы жилье.

4.2.3 Динамическая модель подсистемы управление (бюджет).

4.2.4 Динамическая модель экономической подсистемы.

4.2.5 Экологический блок г. Апатиты (окружающая среда).

4.3. Результаты динамического моделирования г. Апатиты.

4.4. Исследование динамической модели г. Апатиты.

4.4.1. Определение области устойчивых состояний социально-экономической системы.

4.4.2. Интегрированный критерий оценки состояния социально-экономической системы.

4.4.3. Исследование устойчивости социально-экономической системы.

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод синтеза сценарной динамической модели развития малого города Севера России»

Актуальность проблемы. Одним из важнейших направлений работ по обеспечении глобального устойчивого социально-экономического развития является разработка концепции "устойчивых городов". Для городов, расположенных на Севере России, проблемы устойчивости особенно остры. Это связано с историческими особенностями развития северных городов. Города возникали во многом при освоении богатых природных ресурсов Севера, что повлекло развитие узкоспециализированного производства. Северные суровые климатические условия не благоприятствуют сельскохозяйственному развитию, что уменьшает способность городов обеспечить себя продовольствием, и вынуждает импортировать продукты из других регионов. Это повышает стоимость "потребительской корзины" и снижает ее качество. Продолжительная зима увеличивает отопительный сезон, полярная ночь удлиняет период искусственного освещения, все это увеличивает стоимость производства и жилищно-коммунальных услуг.

В настоящее время, при меняющемся экономическом укладе, отношениях собственности, конъюнктуре рынка многие из городов оказались в сложных социально-экономических условиях и им необходимо искать новые пути развития, решая при этом и комплекс накопившихся экологических проблем.

Город является сложной социально-экономической системой. Одним из эффективных инструментов исследования процессов развития таких систем служит имитационное моделирование. Оно позволяет построить динамическую модель, на которой можно проверить различные стратегии развития, не нанося неисправимый вред исследуемому объекту (городу). В качестве метода для создания динамической модели в работе использован метод системной динамики.

Трудно формализуемым этапом создания динамической модели является разработка структуры модели. Этот этап важен, так как для того чтобы динамическая модель была адекватна исследуемому объекту, необходимо, чтобы ее структура отражала структуру предметной области. Корректное задание структуры динамической модели обеспечивает правильность результатов моделирования. Этого можно достичь, автоматизировав данный этап динамического моделирования путем разработки концептуальной модели предметной области и средств ее интеграции с моделью системной динамики.

Целью диссертационной работы является разработка метода синтеза модели системной динамики и создание сценарной динамической модели развития малого города Севера России.

Основные задачи исследования:

1. Формализация и представление знаний экспертов о социально-экономических системах города.

2. Построение базы знаний на основе концептуальной модели.

3. Разработка метода синтеза динамической модели города на основе базы знаний.

Методы исследования. В исследованиях были использованы: метод системной динамики, системный анализ, элементы теории множеств и теории графов, методы математической статистики.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты выполненных исследований:

1. Разработанная методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

2. Разработанный метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Разработанная сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

Актуальность и научная новизна работы подтверждены включением одного из ее приложений - сценарной динамической модели анализа и прогноза демографической ситуации города Севера России в условиях переходной экономики - в раздел «Математическое моделирование, вычислительная и прикладная математика для задач информатики» перечня важнейших результатов Российской академии наук за 1998 год.

На защиту выносятся:

1. Методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

2. Метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

4. Процедуры синтеза структуры динамической модели на основании концептуальной модели, построенной в виде базы знаний.

Практическая ценность. В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН в период с 1997 г. по 2001 г. по следующим темам: "Информационные технологии в прогнозировании развития социально-экономической системы региона." 1998г. (гос. per. N 01.9.60000720), "Модели системной динамики (динамические модели) типовых городов Севера России", "Методы формализации и оценки устойчивости динамических моделей северных регионов России", "Динамическая модель социально-экономического развития Мурманской области" 1999-2001гг. (гос. per. N 01.99.0010.286)

На основе полученных научных результатов реализована динамическая модель развития города Апатиты на базе его концептуальной модели. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города. Модель внедрена в Администрации города Апатиты (акт о внедрении прилагается.)

Результаты исследований использованы при разработке интеллектуальной системы поддержки создания концептуальных моделей сложных систем и синтеза адекватных им имитационных моделей (грант РФФИ № 02-07-90074).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Петрозаводского государственного университета (Кольский филиал) (Апатиты, 1998 г., 2002 г.), на научной конференции "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты, 1999 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Темпы и пропорции социально-экономических процессов на российском Севере" (Апатиты, 2001 г.), на межрегиональном семинаре "Прикладные проблемы управления макросистемами" (Апатиты, 2002 г.), на VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 2002".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, полученные результаты изложены в 2 отчетах по НИР в ИИММ ТП КНЦ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (77 наименований), приложения. Имеет общий объем 150 машинописных страниц, содержит 37 рисунков, 4 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Малыгина, Светлана Николаевна

Выводы

1. Применение метода системной динамики позволяет моделировать город как сложную систему, состоящую из разнородных элементов, являющихся также сложными системами, материальных и информационных потоков и цепей положительной и отрицательной обратной связи.

2. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

3. Исследования устойчивости на динамической модели г. Апатиты позволили определить для города область устойчивых состояний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений, а также ее практические результаты представляют собой решение актуальной научно-технической проблемы автоматизации ранних, менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации этапов создания динамической модели развития города с использованием знаний экспертов. При этом в работе получены следующие результаты.

1. Разработана методика для формализации и представления экспертных знаний о предметной области, позволяющая специалистам в своей терминологии строить концептуальную модель предметной области.

2. В рамках предложенной методики разработана концептуальная модель развития города, которая позволила формализовать и представить знания специалистов в системе городского хозяйства и дала возможность учитывать в процедурах решения задач особенности структуры исследуемой предметной области.

3. Реализация концептуальной модели в виде базы знаний позволяет получить формальные процедуры синтеза структуры динамической модели, адекватной исследуемому объекту. Таким образом, решена проблема обеспечения адекватности при динамическом моделировании социально-экономической системы как город.

4. Применение метода системной динамики позволяет моделировать город как сложную систему, состоящую из разнородных элементов, являющихся также сложными системами, материальных и информационных потоков и цепей положительной и отрицательной обратной связи. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Малыгина, Светлана Николаевна, 2003 год

1. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике.- М.: Финансы и статистика, 2000.- 368с.

2. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-598с.

3. Бурбаки Н. Теория множеств. М.: Мир, 1965.-240с.

4. В.Л.ван дер Варден. Алгебра: пер с нем., М.:Наука, 1976.-650с.

5. Викторовский С.А., Малыгина С.Н. Разработка динамической модели экономической подсистемы города Апатиты. В кн.: Модели социальных, технологических и образовательных процессов, Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2001 г., с. 87-89.

6. Горбунов А.Р. Системная динамика. http://www.tora-centre.ru/library/reing/dynamo.htm

7. Ю.Горохов А.В., Малыгина С.Н. Концептуально динамическая модель устойчивого развития типового города Севера России В кн.: Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития, Апатиты, изд. ПетрГу, 1999 г., с. 25-34.

8. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн./Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1987.

9. Замков О.О., Толстопятенко А.В., Черемных Ю.Н. Математические методы в экономике. М.:, ДИС, 1998г.13.3алывский Н.П. Стратегия инвестирования для устойчивого развития Европейского Севера России. Архангельск: Изд-во Помор, ун-та, 2000. -414 с.

10. Иванова М. В. Проблемы и развитие малых городов Мурманской области.- //Наука и бизнес на Мурмане, октябрь, 1997, Мурманск. с. 89-92

11. Игнатьев М.Б., Путилов В.А., Смольков Г.Я. Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. М., Наука,1986,232с.

12. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512с.

13. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач: Пер. с англ.-М.:Радио и связь, 1990.-544с.,ил.

14. Конференция ООН в Рио-де-Жанейро(1992). http://vmw.prometa.ru/frames/guide/confunrio.htm

15. Концепция Российской программы развития районов Севера на 15-20 лет.- Апатиты: КНЦ РАН, 1991. 180 с.

16. Краткий экономико-математический словарь. JI. И. Лопатников, Москва, "Наука", 1979.

17. Кугаенко А.Л. Основы теории и практики динамического моделирования социально-экономических объектов и прогнозирования их развития, Вуз книга, 1998

18. Кузьмин И.А., Путилов В.А. Функционально-целевая технология синтеза интегрированных АСНИ.//Методы и средства вычислительного эксперимента, Апатиты, изд. КНЦ АН СССР, 1990,с. 4-17.

19. Кузьмин И.А.,Путилов В.В.,Фильчаков В.В. Распределенная обработка информации в научных исследованиях. СПб.:Наука, 1991, 304 с.

20. Литвак Б.Г. Экспертная информация: Методы получения и анализа.- М.: Радио и связь, 1982.-184с., ил.

21. Льюис К.Д. Методы прогнозирования экономических показателей./Пер с англ. -М.:Финансы и статистика, 1986. 133с.

22. Лычкина Н.Н. «Системы принятия решений в задачах социально-экономического развития регионов», Компьюлог, №2(32), М., 1999г.

23. Мальцев А.И. Основы линейной алгебры. М.:Наука,1975,- 400с., ил.

24. Мальцев А.И. Алгебраические системы.-М.:Наука,1970,- 352с., ил.

25. Мантатова Л.В. Устойчивое развитие: экология и человеческий дух. -Улан-Удэ: Бурят, кн. изд-во, 1999. 174 с.

26. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989г. -608с.

27. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических систем. М.: Мир, 1973 г.

28. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений. — М.: Наука, 1965 г, 384 е., ил.

29. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 488с.

30. Мурманская область в цифрах. Краткий статистический сборник. -Мурманский областной комитет государственной статистики, 1996

31. Наше общее будущее: Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию. М., 1989. - с. 376

32. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985, 376с.

33. Новиков П.С. Элементы математической логики.-М.: Физ-мат.из, 1959.-293с.

34. Осуга С. Обработка знаний: пер. с япон.-М.:Мир,1989, 293с.

35. Папенов К.В. Устойчивое развитие: теоретический аспект//- Вестн. МГУ Серия 6. Экономика. 1995. - № 5. - с. 3 - 18.

36. Перегудов Ф.И. Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ.- М.: Высш. шк., 1989.-367 с.

37. Переписка с предприятиями, организациями и учреждениями по вопросам предпринимательской деятельности. Отдел экономики г. Апатиты. 1998г.

38. Попков Ю.С. Моделирование равновесных и неравновесных состояний макросистем. В кн.: Проблемы системного анализа и управления: Сборник трудов Института системного анализа РАН /Под ред. С.В. Емельянова. - М.: Эдиториал УРСС, 2001. - с.92-114.

39. Попков Ю.С. Теория макросистем (равновесные модели). М.: Эдиториал УРСС, 1999.-320 с.

40. Попков Ю.С. Теория макросистем и ее применение. — М.: Эдиториал УРСС, 1999.

41. Попков Ю.С, Посохин М.В., Гутнов А.Э., Шмульян Б.Л, М. Системный анализ и проблемы развития городов, Наука, 1983

42. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект основа новой информационной технологии. М.: Наука, 1988

43. Поспелов Г.С. Системный анализ и искусственный интеллект. М.: ВЦ АН СССР, 1980.

44. Поспелов Д.А. Моделирование рассуждений. Опыт анализа мыслительных актов.-М.: Радио и связь, 1989.-184с.,ил.

45. Представление и использование знаний: Пер. с япон./Под ред. X. Уэно, М. Исидзука. М.: Мир, 1989.-220с., ил.

46. Региональные социально-экономические проблемы Севера в переходный период. Апатиты: КНЦ РАН, 1993. - 79с.

47. Ресин В.И., Попков Ю.С. Развитие больших городов в условиях переходной экономики (системный подход).- М.: Эдиториал УРСС, 2000. — 328 с.

48. Самарский А.А. Введение в численные методы. — М.: Наука, 1987. 286 с.

49. Семенов Н.А. Программы регрессионного анализа и прогноза временных рядов.- М.: Финансы и статистика, 1990. 110 с.

50. Синтез моделей вычислительного эксперимента /Под ред.В.А.Путилова.-Спб.: Наука, 1992,231 с.

51. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление /Сост. М. Сингх, А. Титли; Сокр.пер. с англ. А.В. Запорожца. М.: Машиностроение, 1986.-496 е., ил.

52. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1995 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1996г.

53. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1996 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1997г.

54. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1997 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1998г.

55. Тикунов B.C., Цапук Д.А. Устойчивое развитие территорий: картографо-геоинформационное обеспечение: Москва-Смоленск, Изд-во СГУ, 1999, -176с.

56. Форрестер Дж. Динамика развития города М.: Прогресс, 1974, - 285 с.

57. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.: Наука, 1978. -165 с.

58. Форрестер Дж. Основы кибернетики предприятия. М.: Прогресс, 1971. -340 с.

59. Френкель А.А., Бар-Хиллел И. Основы теории множеств. М.: Мир, 1966.556 с.

60. Хартия "Города Европы по пути к устойчивому развитию". http://www.ksdi.ru/readhall/otcrit/r3-hartiy.html

61. Чернышев М.К., Гаджиев М.Ю. Математическое моделирование иерархических систем. М.:Наука.1983.-191с.

62. Шебеко Ю.А. Имитационное моделирование, ТОРА-центр

63. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука. М.: Мир, 1978.-417 с.

64. Daly, Herman Е. Sustainable Growth: An Impossibility Theorem. //Clearinghouse Bulletin. 1994. 4(4): 1-2,4,7.

65. Aburdene Maurice F. Computer simulation of dynamic systems. Bucknell University, Dubuque, 1990. - 354 p.

66. Meadows, Donella H., Dennis L. Meadows, Jorgen Randers, and William W. Behrens III. (1972). The Limits to Growth. New York: Universe Books. 205 pp.

67. Powersim 2.5 Reference Manual. Herndon, USA: Powersim Press, 1996.-427p

68. Radzicki M. J. A System Dynamics Approach to Sustainable Cities //Procedings of the 1995 International System Dynamics Conference, Gakushuin University, Tokyo, Japan. 1995. - p. 191-210

69. Sustainable Seattle. "Sustainable Seattle Indicators of Sustainable Community 1995." Available from Sustainable Seattle, c/o Metrocenter YMCA. 909 Fourth Avenue. 1995. Seattle, WA, 98104. [phone].

70. Truckee Meadows Tomorrow. Life in the Truckee Meadows: 1994 Quality of Life Index Report. 1400-Awedekind Road. Reno, Nevada. 1994. 89512.

71. Shannon R., Biles W., The Utility of Certain Curriculum Topics to Operation Research Practitioners, Operation Research, v. 18, N 4, Jul. Aug. 1970.

72. Weston F. OR Techniques Relevant to Corporate Planning Function Practices,L

73. An Investigative Look, presented at 39 National Meeting, Operations Research Society of America, Operations Research Bulletin, v. 19, Suppl. 2, Spring, 1971.