интересно
Предыдущая | Содержание | Следующая

Программная система когнитивного моделирования социотехнических систем

Проблема устойчивого и безопасного развития любой страны, в том числе России, ее регионов и территорий является крупномасштабной, требующей учета различных несопоставимых аспектов, описываемых совокупностью взаимозависимых динамических факторов. Конкретные стратегические проблемы безопасного и устойчивого развития индивидуальны и разнообразны по содержанию. В условиях сложившегося неизменного государственного устройства и неизменного общественно-экономического уклада или механизма структура проблем и задач устойчивого развития однозначно определена, она фиксирована и не изменяется во времени. Например, развитие по пятилетним планам с постоянными планируемыми темпами роста социально-экономических показателей. К другому классу относятся задачи, в которых их структура не остается фиксированной и последовательно формируется в зависимости от принимаемых решений. Такие задачи возникают в развивающихся и трансформирующихся системах, к которым относится и Россия в настоящее время. Для трансформирующихся систем проблему устойчивого развития необходимо рассматривать и решать комплексно, как проблему безопасности и выживания, что требует разработки соответствующей методологии, формализованного аппарата и эффективных методов решения. Предпринимаемые до настоящего времени попытки построить экспертную систему поддержки и принятия решений в области устойчивого развития пока не нашли общепризнанного успешного завершения. Но имеющиеся экспертные знания и существующие формализованные научные знания по общей проблеме и методам принятия решений обосновывают необходимость и возможность разработки интеллектуальной системы поддержки управленческих решений. В последнее время в основу построения таких систем положен когнитивный подход, который позволяет совмещать формализованные научные знания с опытом экспертов и творческим потенциалом лиц, поддерживающих и принимающих решения.

В области создания интеллектуальных систем поддержки управленческих решений сейчас широко известны разработки ИЛУ РАН [2, 3]. Опыт их работы был учтен при создании ПС КМ. Разработанная ПС КМ реализует идеи и методы когнитивной структуризации знаний экспертов, а также использует разнообразные методы системного анализа для реализации задач когнитивного моделирования. В отличие от существующих программных систем, она обладает более широким спектром решаемых во взаимосвязи задач системного анализа.

Рассмотрим возможности существующих систем.

В секторе 51 ИПУ РАН разработана когнитивная технология стратегического управления развитием сложных социально-экономических объектов в нестабильной внешней среде. Технология помогает руководителю создавать стратегии деятельности в нестандартных условиях, обусловленных нарастающей изменчивостью внешней среды. Разработанный диалоговый комплекс Ситуация обеспечивает: 1) построение когнитивной модели исследуемой ситуации (выделение и обоснование базисных факторов ситуации; установление и обоснование взаимосвязей факторов; построение графовой модели ситуации); 2) структурную интерпретацию проблем, требующих решения в исследуемой ситуации; 3) поиск и обоснование стратегий достижения цели в стабильных или изменяющихся ситуациях (выбор и обоснование желаемых целей в условиях неопределенности; выбор мероприятий (управлений) для достижения цели; анализ принципиальной возможности достижения цели из текущего состояния ситуации с использованием выбранных мероприятий; анализ ограничений на возможности реализации выбранных мероприятий в реальной действительности; анализ и обоснование реальной возможности достижения цели; выработка и сравнение стратегий достижения цели); 4) поиск и обоснование стратегий решения проблем в конфликтных ситуациях (анализ целей участников конфликта; анализ ресурсов участников конфликта; анализ и обоснование возможностей образования коалиций среди участников конфликта; анализ и обоснование различных сценариев поведения участников конфликта); 5) обоснование возможных сценариев развития ситуации.

У разработчиков есть опыт использования их технологий в помощь руководителям предприятий, банков, муниципальных округов, органов государственной власти и целых регионов в стратегическом анализе и планировании, квалифицированном проведении структурных преобразований, грамотном вложении инвестиций.

В другом секторе ИПУ РАН разработана технология моделирования сложных динамических систем на базе аппарата модифицированных функциональных графов. Указанный математический аппарат обладает следующими свойствами: возможность работать с данными как количественного, так и качественного типов; возможность поэтапного наращивания сложности (и адекватности) модели по мере получения более точных исходных данных; широкие выразительные возможности аппарата, что позволяет использовать его для моделирования динамических процессов в разнообразных предметных областях; простота модульной структуризации модели, что позволяет автоматизировать процедуру построения на основе содержательной картины пользователя и заранее созданной библиотеки функциональных модулей. Разработанный программный комплекс "ИМПАН" предназначен для моделирования систем различного назначения с использованием аппарата знаковых графов. Основные реализуемые функции: 1) формирование модели исследуемой системы в виде знакового (взвешенного) графа; 2) модификация модели, изменение ее структуры; 3) проведение поэтапного моделирования с заданием количества шагов на каждом этапе; 4) возврат процедуры моделирования на заданное количество шагов с восстановлением предыдущего состояния модели; 5) возможность внесения изменения в ходе моделирования; 6) создание программы внешних воздействий на заданный управляющий компонент системы с целью обеспечения необходимой тенденции изменения управляемого фактора на выбранном временном интервале; 7) формирование на основе существующей модели новой и последующая ее модификация; 8) получение результатов моделирования для выбранных вершин в графическом виде, наиболее пригодном для анализа; 9) визуальное изменение и последующее запоминание расположения вершин.

Использование данного комплекса было представлено, в частности, на примерах моделирования взаимовлияния экономических, социальных и политических факторов на объем и стабильность налоговых поступлений, и показатели экономического роста, а также анализа инвестиционной привлекательности различных регионов РФ в зависимости от их структурных и динамических качеств и соответствующей типологии.

Анализ существующих программно-методологических комплексов, а также опыт когнитивного моделирования [2, 3] позволили разработать и выполнить требования к созданной ПС КМ. В процессе разработки требований должны были решаться следующие задачи: 1) определения формата поступающей со стороны исследуемой системы информации; 2) определения функций, подлежащих выполнению ПС и их взаимосвязь; 3) определение взаимосвязи между функциями ПС;

выполнение анализа ограничений на структуру и состав исследуемых моделей;

определение требований к алгоритмам и вычислительным ресурсам ПС.

Формат. Поступающая со стороны исследуемой системы информация должна представляться в виде вербального описания региональной ситуации.

Функции. Предлагается следующий основной состав функций, который будет обеспечивать решение задач ПС: а) функция создания и обработки гипертекста; б) функция взаимодействия с базой данных, связанной с изучаемой предметной областью; в) функция создания и корректировки когнитивной карты; г) функция импульсного моделирования; д) функция решения обратной задачи импульсного моделирования; е) функция анализа устойчивости модели; ж) функция структурного анализа.

Функция создания и обработки гипертекста (а). Функция должна поддерживать создание пользователем на основе обычного текста гипертекста (текста, снабженного ссылками элементов текста друг на друга) и преобразование его в когнитивную карту. Требования к функции следующие. Гипертекст должен содержаться в отдельном прокручивающемся окне, размеры которого могут меняться. Параметры формата вывода гипертекста должны изменяться с изменением размеров окна. Гипертекст должен содержать элементы двух видов: сущность, то есть фактор, присутствующий в тексте, и связь, то есть отношение между факторами, также указанное в тексте. Отношения между факторами задаются как "многие к многим", то есть каждый фактор (и соответствующие ему элементы гипертекста) может быть связан с несколькими факторами. Одни и те же факторы можно указывать в разных предложениях естественного языка. При этом разные элементы гипертекста могут соответствовать одному и тому же фактору, название которого задается один раз. Каждый элемент гипертекста сопоставлен с его свойствами: для фактора - свойства фактора, для дуги - свойства дуги. Необходимо, чтобы при создании гипертекста были доступны функции добавления, изменения и удаления сущностей (факторов) и связей (отношений). При просмотре свойств сущностей должны быть доступны для просмотра и навигации списки сущностей, которые связаны с рассматриваемой. Данное требование относится также и к связи. При этом для навигации должны быть доступны сущности, образующие данную связь.

Функция взаимодействия с базой данных, связанной с изучаемой предметной областью (б). Функция необходима для визуального анализа динамики изменения показателей. Для реализации функции необходимо: 1) создать логическую и физическую структуру будущей базы данных; 2) организовать доступ пользователя к просмотру и поиску записей базы данных, хранящих необходимые статистические данные; 3) организовать возможность выбора записи, соответствующей временному ряду изменения показателя, и просмотра графика изменения показателя.

Функция создания и корректировки когнитивной карты (в). Для реализации необходимо: 1) задать вершины графа, представляющие собой элементы когнитивной карты; 2) задать дуги графа, представляющие собой отношения между элементами когнитивной карты; 3) задать текущие значения параметров вершин графа; 4) представить и отобразить на экране дисплея созданный ориентированный граф; 5) сохранить данные построенного графа в файле на жестком диске для последующего использования построенной когнитивной карты.

Функция импульсного моделирования (г). Для реализации необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) задать текущие импульсы в вершинах; 3) задать количество шагов моделирования; 4) провести расчеты импульсного моделирования по заданным входным данным; 5) выбрать вершины, изменения которых будут отображаться на графике при моделировании; 6) отобразить на графике результаты моделирования; 7) сохранить результаты моделирования в файл на жестком диске для последующей распечатки на принтере.

Функция решения обратной задачи импульсного моделирования (д). Для реализации необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) задать текущие импульсы в вершинах когнитивной модели; 3) задать вершины-субъекты когнитивной модели; 4) задать вершины-объекты; 5) задать ограничения, налагаемые на тенденцию изменения вершин-объектов; 6) задать интервал времени воздействия на вершины-субъекты со стороны лица, принимающего решение; 7) задать интервал времени, в течение которого должны выполняться ограничения на изменение значений вершин-объектов; 8) провести расчет программы воздействий на вершины-субъекты, которая удовлетворяет заданным ограничениям при минимальных расходах; 9) отобразить результаты расчета программы воздействий на экране дисплея; 10) сохранить результаты расчета программы воздействий в виде текстового файла на жестком диске для возможности последующей распечатки и анализа;

Функция анализа устойчивости модели (е). Функция позволяет произвести анализ устойчивости построенной когнитивной модели. Для этого необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) произвести расчет собственных чисел матрицы взаимосвязей вершин когнитивной модели; 3) произвести отображение найденных собственных чисел на экране дисплея; 4) сохранить найденные собственные числа в текстовый файл для последующей распечатки и анализа;

Функция структурного анализа (ж). Она позволяет произвести поиск циклов, путей и компонентов связности когнитивной модели. Для этого: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) произвести поиск всех простых элементарных циклов и т.п.; 3) произвести отображение списка найденных циклов и т.п. на экране дисплея в отсортированном по количеству вершин виде; 4) отобрать некоторые циклы и т.п. для последующего выделения их на когнитивной модели; 5) выделить выбранные циклы и т.п. на когнитивной модели; 6) перенести текущие выделенные циклы и т.п. в отдельную новую когнитивную модель для последующей работы; 7) сохранить список найденных циклов и т.п. в текстовый файл для последующей распечатки и анализа.

Взаимосвязи между функциями. Взаимосвязи между ними следующие. 1. Функции импульсного моделирования, разработки программы воздействий, анализа устойчивости и структуры требуют для своей работы построенной когнитивной модели, то есть реализации функции формирования во взаимодействии с пользователем ПС взвешенного орграфа. 2. Для формирования когнитивной модели может быть необходима функция создания и обработки гипертекста. 3. Функция доступа к базе данных помогает оценить адекватность, а также может быть полезной при построении когнитивной модели для оценки отношений между факторами. 4. Функцию разработки управляющих воздействий целесообразно использовать после оценки развития ситуации с помощью функции импульсного моделирования.

На рис. 2 представлена структура задач, решаемых ПС КМ, на рис. 3 -структурная схема модулей программы.

Таким образом, будем иметь схему взаимосвязей между функциями ПС, отображенную на рис. 1.

С помощью программного комплекса ПС КМ были проведены исследования различных региональных социально-экономических и экологических систем. В этих целях использовались различные виды моделей, являющиеся модификациями параметрического векторного функционального графа [3, 4]:

Выражение (1) - это кортеж, в котором:

G - знаковый ориентированный граф (когнитивная карта), в котором:

являются

элементами изучаемой системы;

 


..., N отражают взаимосвязь между

в изучаемой ситуации может быть по -

  - множество параметров вершин;

8 - пространство параметров вершин;

П о мере накопления знаний о процессах становится возможным более детально раскрывать характер связей между факторами.

... например, по правилу изменения параметров в вершинах в момент tn+b если в момент времени tn в вершины поступили импульсы Р , то

Выражение (2) реализовано в ПС КМ.

Программу можно использовать для анализа и моделирования систем различной сложности и природы. Основным инструментом анализа являются графики изменения показателей-вершин когнитивной модели.

Рассмотрим использование программной системы на примере.

Снижение уровня объемов производства, то есть отрицательный импульс в вершину vl: qvl = -1, приводит к падению основных социально-экономических показателей (рис. 5).

На рис. 4 представлена когнитивная карта - модель регионального социально-экономического механизма.

Таким образом, моделирование внесения управляющих воздействий показывает устойчивый рост всех основных социально-экономических показателей после незначительных колебаний.

Для лица, принимающего решения и формирующего управляющие воздействия, важно определить также время внесения воздействий. Так, при внесении управляющих воздействий в вершины V6 и V7 не получается желаемый результат, потому что эффект от снижения объемов производства уже успел распространиться и повлиять на связанные факторы. На рис. 6 представлены переходные процессы, возникающие при внесении в начальный момент времени (на нулевом шаге) отрицательного импульса в вершину vl - физический объем производства и положительных импульсов на пятом шаге моделирования в вершины v6 - федеральные регулирующие системы и v7 - межрегиональный и внешнеэкономический обмен:

Таким образом, ПС КМ позволяет составить прогноз развития исследуемого объекта и составить план управляющих воздействий, направленных на преодоление негативных тенденций.

 


Рис. 6. Импульсные процессы при начальном снижении уровня объемов

производства, усилении влияния федеральных регулирующих систем и увеличении

межрегионального и внешнеэкономического обмена на пятом шаге:

qvl = -1, qv6 = +1, qv7 = 1