Технология интеграции моделей системной динамики и ГИС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Федоров, Андрей Михайлович

• Федоров, Андрей Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федоров, Андрей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ

1.1. Природно-промышленные системы

1.2. Применение технологий проектирования программного обеспечения в задачах интеграции имитационных моделей

1.3. Средства моделирования общего назначения

1.4. Средства моделирования специального назначения и примеры их применения

1.5. Актуальность интеграции моделей системно-динамических моделей и пространственно-распределенных данных

1.6 Выводы

2. КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ИНТЕГРАЦИИ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ

И СИСТЕМНО-ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

2.1. Формализованное описание компонентов интегрированной среды

2.2. Интегрированная геоинформационная система динамического моделирования S

2.3. Отношения элементов в интегрированной системе

2.4 Выводы

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ГИСДМ

3.1. Варианты построения интегрированной модели ГИСДМ

3.2. Выбор варианта реализации модели ГИСДМ

3.3. Системно-динамические микромодели

3.4. Интеграция моделей на программном уровне

3.5 Выводы

4. ПРИМЕНЕНИЕ МОДЕЛИ ИНТЕГРАЦИИ

4.1. Программная система поддержки интеграции моделей системной динамики и моделей пространства

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология интеграции моделей системной динамики и ГИС»

Актуальность проблемы связана с возрастанием требований к прогнозированию и анализу результатов реализации принимаемых решений в области управления природно-промышленными системами (111 1С). Функционирование и развитие ППС приводит к изменению как глобальной так и локальной экологической обстановки и определяет уровень безопасности эксплуатации подобных систем.

Под природно-промышленной системой понимается функциональная единица техносферы1, представляющая собой комплекс хозяйственных и промышленных объектов (промышленная среда), находящийся во взаимосвязи с окружающей природной средой. В этой системе имеет место обмен веществом, энергией и информацией, взаимное влияние и воздействие элементов. Компонентом, определяющим структуру ППС, как правило, является промышленный объект.

Основным методом изучения и прогнозирования поведения ППС служит моделирование. Рассматриваемые системы можно характеризовать как сложные пространственно-распределенные динамические системы с множественными внутренними и внешними связями - информационными и материальными потоками между объектами. Связанные природные и промышленные объекты могут представлять собой многоуровневую систему подобьектов, имеющих свои собственные атрибуты, реагирующие на входные и генерирующие выходные сигналы. Специфика ППС состоит в том, что в отличие от промышленных объектов, структура и поведение природных объектов непосредственно не зависят от управленческих воздействий лиц, принимающих решения. В связи с этим, модели, используемые для решения задач в сфере ППС, должные учитывать сложную структуру и особенности взаимосвязи рассмотренных подсистем.

Исходя из описанных свойств и специфики ППС, наиболее подходящими для ее моделирования являются методы системной динамики. Системно

1 Техносфера - видоизмененная человеком природная среда динамические модели (СДМ) широко используются в исследовательских и управленческих задачах. Применение таких методов в силу их естественности для человеческого образа мышления не требует от пользователя значительных затрат на дополнительную подготовку. Последнее является одной из причин выбора именно этого средства для построения моделей, ориентированных на использование лицами, принимающими решения (ЛПР), т.е. конечными пользователями [29].

Однако природно-промышленная система как часть административно-хозяйственного или природно-ресурсного образования имеет конкретную территориальную привязку, стандартные средства для учета которой не предусмотрены в СДМ. Наиболее полно набор средств для решения задач, связанных с обработкой рельефа местности, представления результатов расчетов, зависящих от координат, реализован в рамках геоинформационных систем (ГИС).

Таким образом, актуальной задачей, решаемой в данной работе, является разработка средств и методов интеграции системно-динамических и пространственно-распределенных моделей, что обеспечит создание имитационных моделей, позволяющих наиболее полно учитывать специфику природно-промышленных систем.

Цель

Целью диссертационной работы является разработка технологии интеграции системно-динамических моделей и геоинформационных моделей природно-промышленных систем.

Основные задачи исследования

1. Разработка формализованного описания компонентного состава ГИС моделей и СДМ;

2. Построение концептуальной модели интеграции системно-динамических и геоинформационных моделей природно-промышленных систем;

3. Разработка правил поддержания соответствия между элементами интегрируемых моделей;

4. Разработка инструментальной системы поддержки проектирования моделей природно-промышленных систем.

5. Создание моделей конкретных природно-промышленных систем

Используемые методы. Для решения поставленных в работе задач используются методы системной динамики, элементы системного анализа и теории множеств.

Научной новизной обладают следующие результаты выполненной работы:

1. На основе известных методов концептуального проектирования предметной области разработаны формализованные описания компонентных составов ГИС моделей и СДМ, которые обеспечивают возможность автоматизации их совместного анализа и дальнейшей интеграции.

2. Построена концептуальная модель интеграции ГИС моделей и СДМ в единую геоинформационную системно-динамическую модель (ГИСДМ). Модель предназначена для создания системы поддержки принятия решений в области управления природно-промышленными системами.

3. Разработаны правила поддержания соответствия между элементами динамической (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем, которые обеспечивают контроль и коррекцию интерфейсных связей.

4. Предложены алгоритмы интеграции ГИС моделей и СДМ, предусматривающие различные способы представления исходных моделей и учитывающие требования к интегрированной модели природно-промышленной системы.

Положения, выносимые на защиту

1. Формализованное описание компонентного состава ГИС и СДМ, обобщающие состав и организационную структуру геоинформационных и системно-динамических моделей.

2. Концептуальная модель интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей в единую ГИСДМ.

3. Правила поддержания соответствия между элементами имитационной (СДМ) и визуализирующей (ГИС) подсистем.

4. Алгоритмы интеграции ГИС и СДМ, позволяющие решать задачу автоматизированного синтеза единой геоинформационной динамической системы. ti)

Практическая значимость

На основе результатов диссертации разработаны две системы имитационного моделирования для анализа и оценки динамических пространственно-распределенных процессов поведения лесных экосистем и процессов, развивающихся на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия. Основу работы составляют результаты исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН, тема № 2318, государственная регистрация №01.200.2 09393.

Реализация и внедрение результатов

Исследования проводились в ИИММ КНЦ РАН в рамках следующих гос-*f< бюбжетных тем и хоздоговорных работ:

- тема 2119: информационные технологии ситуационного управления технологическими процессами и безопасностью в промышленно-природных комплексах, № гос. per. 01.2.003 03819. 2003-2005;

- расчет вероятного вреда при авариях на гидротехнических сооружениях ОАО "Апатит" Отчет о выполнении работ по договору № 2003/2401 от 01.01.2003 (заключительный). - Апатиты - Кировск: изд. ИИММ КНЦ РАН, 2003.-116 с.

Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении работ по гранту РФФИ №03-01-96142, тема «Исследование и разработка методов и средств интеграции математических моделей различных классов в комплексную имитационную модель динамики сложной природно-промышленной системы (на примере ОАО «Апатит»)»

Публикации и апробация работы

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

1. III Международная научно-практическая конференция «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск), 2002г;

2. V-я Всероссийская школат-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты, 2004г.

3. Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». Апатиты, 2004г.

Доклады слушались на научных семинарах ИИММ КНЦ РАН. По теме работы опубликовано восемь печатных работ.

Результаты исследований используются в учебном процессе в Кольском филиале Петрозаводского государственного университета в курсе «Теория информационных систем».

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка лите

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Федоров, Андрей Михайлович

4.3. Выводы

1. Метод системной динамики является эффективным средством задания поведения объектов сложных пространственно-распределенных систем.

2. Язык динамического моделирования Powersim позволяет быстро, удобно и наглядно реализовывать и исследовать разработанные динамические модели, а карта поверхности позволила эффективно отображать результаты моделирования.

3. Программная система, созданная для поддержания процесса интеграции моделей ГИС и СДМ оказались весьма эффективными в построении моделей гидротехнической системы в нормальном и аварийном режиме работы и лесной экосистемы в условиях влияющих на нее антропогенных воздействий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработанная методика позволяет создавать модели природно-промышленных систем на основе интеграции моделей системной динамики, описывающих процессы, происходящие в ППС, и геоинформационных моделей, содержащих информацию о пространственной протяженности объектов и процессов ППС. Универсальность подобных систем обоснована тем, что в их создании могут принимать участие группы специалистов из различных областей, которые на начальных этапах независимо друг от друга разрабатывают динамические модели поведения объектов ППС, а затем встраивают эти объекты в единое геоинформационное пространство. Интегрированные системы могут создаваться неспециалистами в области программирования при помощи интуитивно понятных программных инструментов, таких как системы динамического моделирования (PowerS im, VenSim) и геоинформационных систем (ArcView, ГИС ИнГео). Созданные, таким образом, системы и отдельные ее компоненты могут использоваться как часть системы поддержки принятия решений для практических исследований динамики поведения объектов природно-промышленных систем в рамках решения задач анализа, оценки и прогноза развития различных ситуаций.

В работе получены следующие результаты:

Разработаны формализованные описания компонентного состава моделей ГИС и СДМ, которые позволяют идентифицировать структурный и функциональный состав моделей обоих типов и провести анализ возможных способов их интеграции.

Построена концептуальная модель интеграции системно динамических и пространственно распределенных моделей систем, с помощью которой можно создавать пространственные системно-динамические модели природно-промышленных систем и на их базе организовывать имитационные эксперименты, результатами работы которых могут стать экологические и экономические обоснования производственных и управленческих решений в исследуемой природно-промышленной системе;

Разработаны средства поддержки взаимного соответствия между элементами подсистем ГИСДМ, которые в интегрированной системе исполняют роль связующих элементов между объектами имитационной и визуализирующей подсистемами;

Разработаны алгоритмы интеграции геоинформационных и системно-динамических моделей, которые позволяют на основе исходных данных о предметной области реализовывать альтернативные способы построения интегрированных моделей.

На основе разработанных способов интеграции создана программная система поддержки интеграции системно-динамических и пространственных моделей, с помощью которой получены имитационные системы моделирования для анализа и оценки процессов, происходящих во времени на гидротехнических сооружениях промышленного предприятия и в лесных экосистемах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федоров, Андрей Михайлович, 2004 год

1. И РАЗВИТИЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В УКРАИНЕ г. Киев, Украина // http://gpss.ru/paper/ukraine/print.html

2. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. -М.: «Издательство Бином», Спб.: «Невский Диалект», 2001г. 560 е., ил.

3. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++, 2-е изд./ Пер. с англ. -М.: «Издательство Бином», Спб.: «Невский Диалект», 2001г. 560 е., ил.

4. Вендров А. М. CASE-технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем. М.:Финансы и статистика, 1998.

5. Вендров А. М. Проектирование программного обеспечения экономических информационных систем: Учебник. М: Финансы и статистика, 2003. - 352 е.:ил. ISBN 5-279-02144-Х

6. Власов М.Ю., Горбачев В.Г. Геоинформационные системы. Центр системных исследований "Интегро", г.Уфа, www.integro.ru

7. Инструментальная система поддержки вычислительного эксперимента на основе древовидной модели предметной области / А.Г. Олейник, А.В. Смагин, А.Я. Фридман, О.В. Фридман // Программные продукты и системы, 1999, № 2. -С.7-13.

8. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Использование концептуальных паттернов впроектах разработки аналитических моделей бизнес-процессов. //Теория и практика системной динамики. Кольский НЦ РАН, г. Апатиты: 2004г. сс57-59

9. Казаков С.А., Шебеко Ю.А. Практикум по основам моделирования бизнес-процессов. М.:Тора-Инфо Центр, 2002. ISBN 5-9502-0068-3

10. Когаловский М.Р Стандарты XML и электронные библиотеки (аналитический обзор): http://www.elbib.ru/index.phtml?page=elbib/rus/methodology/xmlbase/review 2003г.

11. Кузнецов О.П., Андерсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера .- 2е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 480с.:ил. ISBN 5-283-01563-7

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

13. Ландсберг С. Е. Оптимизация проектирования информационных бизнес-систем на основе интеграции методов имитационного моделирования и CASE-технологий. автореферат дтн. Воронеж: 1998.

14. Малыгина С.Н. Метод синтеза сценарной динамической модели развития малого города севера России. // автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата техн. наук. Апатиты. 2003

15. Мамедов Э., База Геоданных. «Дата+»: http://www.dataplus.ni/arcrev/numberI 9/3base.html

16. Маслович А., Шебеко Ю. Моделирование и анализ поведения бизнес-процессов (конспект лекций). М.:Тора-Инфо Центр, 2002

17. Олейник А.Г., Фридман А .Я., Ситуационное моделирование природно-технических комплексов / Информационные технологии и вычислительные системы, 2002, № 2. С.90-103.

18. Орфли Р., Харки Д., Эдварде Д. Основы CORBA. М.: МАЛИП. 1999, 318с.

19. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. М.:ФАЗИС:ВЦ РАН.2000.-134 с.

20. Питц-Моултис Н., Кирк Ч. XML :Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2000. - 736 с.:ил.

21. Попков Ю. С. Ресин В.И., Развитие больших городов в условиях переходной экономики (системный подход). М.: Эдиториал УРСС, 2000. -328с. ISBN 5-8360-0127-8

22. Путилов В. А. Федоров А. М. " Разработка интегрированных системно-динамических моделей природно-промышленных систем". //Всероссийская научная конференция «Теория и практика системной динамики». Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С103-105.

23. Путилов В.А., Горохов А.В., Олейник А.Г. Технология автоматизированной разработки динамических моделей для поддержки принятия решений // Информационные ресурсы России, 2004, №1. С.30-33.

24. Путилов В.А., Горохов А.В. Системная динамика регионального развития. Монография. Мурманск: НИЦ «Пазори», 2002. 306 е.; ил. ISBN 5-86975-062-8

25. Савин Г. И. Системное моделирование сложных процессов.-М.:ФАЗИС:ВЦ РАН,2000.-ХН+ 276с

26. Синтез моделей вычислительного эксперимента / Бржезовский А.В., Жаков В.И., Путилов В.А., Фильчаков В.В. Спб.: Наука, 1992. - 231 с.

27. Системная динамика. Статьи экспертов и сотрудников фирмы ТОРА-Центр. Источники\Системная динамика\Специалисты о C/^dynamo.htm

28. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем: учебник для вузов 3-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2001. - 343с.; rfi.ISBN 5-06-003860-2

29. Фаулер М., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования: Пер. с англ. М.: Мир, 1999г.

30. Федоров А. М. Интегрированная система имитационного моделирования пространственно распределенных объектов. //Управление безопасностью природно-промышленных систем. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003.- Вып. IV. - С.74-78

31. Федоров А. М. Один способ повышения качества получения и представления результатов динамического моделирования. Идея динамическойкартомодели". //Математические методы описания и исследования сложныхсистем. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001.- С.133-135.

32. Федоров А. М. Принципы построения имитационных систем на основе ГИС-технологий и методов системной динамики. IN-я Всероссийская школа-семинар «Прикладные проблемы управления макросистемами». Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2004. - С.54-57

33. Федоров А. М., Шишаев М.Г. Проблема удаленного доступа к картографическим (пространственным) данным. //Модели социальных, технологических и образовательных процессов. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2001. - С.90-93.

34. Федоров A.M., Шишаев М.Г., Возможности построения динамических моделей территорий средствами современных ГИС. //Информационные технологии в региональном развитии. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003. -Вып.Ш. - С.26-29.

35. Филькинштейн М. Я. ГИС-INTEGRO как инструмент геологических исследований. /Геонформатика №2 2002. ГУП «Информационный центр ВНИИгеосистем. с 14-20

36. Фильчаков В.В., Бржезовский А.В., Жаков В.И. Дегтярев А.В. Преобразования концептуальных моделей к спецификациям алгоритмов. //Вычислительный эксперимент в задачах прогнозирования (сборник научных трудов). Апатиты КНЦ РАН: 1994. С.79-98.

37. Фомин А. В. Спецификация и синтез программного обеспечения защищенных информационных систем на основе расширенных концептуальныхмоделей. автореферат диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук. - Санкт-Петербург. 2003, 20с

38. Форрестер Дж. «Динамика развития города», Прогресс, 1974

39. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.:Наука, 1978. - 168 с.

40. Фридман А.Я. Разработка интегрированной концептуальной модели природно-технических комплексов и методов ситуационного управления их структурой, автореферат дтн. Апатиты: Кф Петргу. 2001.

41. Хаксхольд В. Е. Введение в городские географические информационные системы. 1991, Изд. Оксфордского университета, Пер. с англ., Изд-во АГИТ. 1996, 325 с.

42. Что такое ГИС? «Дата+»: http://www.dataplus.ru/Industries/index.htm

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

44. Шикин Е.В., Боресков А. В., Компьютерная графика. Полигональные модели.-М: ДИАЛОГ-МИФИ, 2000.-300с

45. Шишаев М.Г., Карпенко Р.С., Федоров A.M. Применение концепций HLA в распределенной системе динамического моделирования //"Информационные технологии в региональном развитии. Апатиты: изд-во КНЦ РАН, 2003, вып.Ш. - С.30-34

46. Юрков Н.К. Имитационное моделирование технологических систем: Учеб. пособие. Пенза: Пенз.политехн.ин-т, 1989. - 71 е.: ил. 10, таб. 1. библиогр. 15 назв.

47. Kirkwood Craig W. System Dynamics Methods: A Quick Introduction, 1998

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

49. Powersim for Windows http://www.dpsnet.com/powersim/powersim.htm

50. Van Deursen W.P.A. Geographical Information Systems and Dynamic Models. Ph.D. thesis, Utrecht University,-1995, NGS Publication 190, 198 pp. Electronically available through www.carthago.nl

51. Agent Based Modeling in AnyLogic. //AnyLogic XJ Technologies Company Ltd. http://www.xjtek.com

52. Dynamic spatial models and artificial worlds: a perspective on advances in GIS modeling into 21st century.// UGISA Conference. Индианаполис, США 1990. http://www.srnr.arizona.edu/people/facultypage/gimblettjpublichtml/indgis.html

53. Forester J. W. System Dynamics and the Lessons of 35 Years. In "The Systemic Basisi of Polici Making in the 1990s", edited by De Greene Kenyon B. -Massachusetts: Sloan Scool of Management MIT, 1991

54. Geographic Resources Analysis Support System. // http://grass.itc.it

55. Spatial Modeling Environment. // http://www.uvm.edu/giee/SME3/SME3.html

56. Spatial modeling environments: Integration of GIS and conceptual modeling frameworks. //4th International Conference on Integrating GIS and Environmental Modeling (GIS/EM4). Банф, Альберта, Канада 2000.

57. The Sage Grouse of Fort Yakima. // http://blizzard.gis.uiuc.edu

58. Using coupled models and GIS for understanding northern forest ecosystem dynamics. // http://fedwww.gsfc.nasa.gov/pub/kjrgis5.html

59. Van Deursen W.P.A., Geographical Information Systems and Dynamic Models. Ph.D. thesis, Utrecht University,-1995. // http://www.geog.uu.nl/pcraster/

60. Vensim. Modeling with Molecules. // Ventana Systems, Inc. http://www.vensim.com