Книги, научные публикации
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ АЛГОРИТМА УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫМИ ПОТОКАМИ В СИТУАЦИОННЫХ ЦЕНТРАХ ОРГАНОВ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ВЛАСТИ И.С. Вахмянин, руководитель отдела разработки
и внедрения программного обеспечения ЗАО Полимедиа, аспирант Российской академии государственной службы при Президенте РФ, e-mail: ivan
Н.И. Ильин, доктор технических наук, профессор, заместитель начальника Управления информационных технологий спецсвязи ФСО РФ.
Е.В. Новикова, кандидат химических наук, Генеральный директор ЗАО Полимедиа, докторант Российской академии государственной службы при Президенте РФ, e-mail: elena@polymedia.ru.
Адрес: г. Москва, ул. Кржижановского, д. 29, корп. 1, ЗАО Полимедиа.
Разработана математическая модель информационных потоков в ситуационном центре (СЦ) и на ее основе построен алгоритм рационального управления информационными потоками.
На базе разработанного алгоритма реализовано программно-аппаратное решение Визуализация информации на системе распределенных дисплеев (ВИРД), которое внедрено в ситуационном центре Пензенской области.
Ключевые слова: визуализация, ситуационный центр (СЦ), модель информационного потока, информационно-аналитическая система, информационно-аналитическая система, информационный поток, визуализация информации на системе распределенных дисплеев (ВИРД).
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ Введение Определенную сложность будет представлять движение по сценарию и переход от одной сцены истема ситуационных центров (СЦ) обе к другой, вследствие того, что каждый информа спечивает повышение эффективности, ционный поток представлен своим источником, С оперативности и качества принятия управ и вывод информации осуществляется в много ленческих решений, а также контроля исполнения оконном режиме на несколько экранов. Выбор решений по различным направлениям деятель соответствующего источника и расположение ности органов государственной власти и органов его на экране занимает временной ресурс, кото местного самоуправления. Сегодня в России на рый является очень важным для эффективного считывается около 30 реализованных СЦ, и новые функционирования СЦ. Система коммутации центры продолжают активно создаваться [1]. Из оборудования С - является сложной и наклады вестно [2,3] что до 80 % воспринимаемой инфор вает определенные ограничения на вывод инфор мации человек получает по зрительному каналу, мационных источников на экран коллективного поэтому подсистема отображения информации пользования (ЭКП). Если оператор осуществляет является ключевой для С - и центров управления, коммутацию вручную (простым перебором), то которые предназначены для поддержки приня существует риск, что не все источники информа тия решения в условиях ограниченного времени ции будут выведены на ЭКП. Задачу вывода изо или в условиях чрезвычайной ситуации. При этом бражения на экран большой информационной информация, поступающая в С - носит лавиноо емкости можно решать на программном или ап бразный, неформализованный и неравномерный паратном уровне. В работе [6] такая задача реша характер;
информация поступает от внешних и вну ется с помощью системы многопользовательских тренних, программных и аппаратных информаци контроллеров, однако такая система является до онных источников (оперативные донесения, ленты статочно громоздкой, сложной в управлении (при новостей, транскрипты ТВ-программ, Интернет наращивании числа источников информации) сайты). В таких условиях ключевыми факторами и не позволяет применить сценарный подход к эффективной работы С - является время, затрачен организации совещаний. Применение систем ное на восприятие информации лицом, принимаю управления, разработанных фирмами Crestron щим решения, и другими участниками совещания [7] и AMX [8] дает возможность легко управлять [4]. Для этого организация вывод информации на выводом изображения от аппаратных источни систему экранов С - должна быть достаточно про ков. Однако, производительность данных систем стой и оперативной.
относительно невысока, что делает невозмож Долгое время развитие ситуационных центров и ным программирование действительно сложной систем управления выводом информации сдержи логики с учётом требований режима реального валось несовершенством средств обработки и ви времени. Кроме того, системы интегрирован зуализации информации. В частности, источник ного управления изначально ориентированы на информации был, как правило, жестко привязан создание несложных сценариев управления обо к средству отображения информации [5]. То есть рудованием, что затрудняет их взаимодействие с конфигурация ситуационного центра была стати программными источниками информации и, тем ческой и описывалась парами листочник инфор более, информационными системами. Напро мации Ч средство отображения. Современный тив, программное обеспечение Authorware (www.
С - представляет собой программно-аппаратный macromedia.com) предоставляет пользователю комплекс, в котором множество источников ин возможность создавать разветвленные сцена формации (программных и аппаратных) выводится рии с достаточно сложной логикой связей между на множество дисплеев, причем, этим процессом слайдами. Широкий набор средств для создания можно управлять в реальном времени.
сложных сценариев показа сделал данный про Для подготовки совещания требуется разрабо- дукт часто используемым в ситуационных цен тать сценарий проведения совещания, опреде- трах. Основным недостатком Authorware являет лить источники информации, способы их пред- ся невозможность работы с многодисплейными ставления и последовательность представления конфигурациями, и управления оборудованием.
информации, а также описать последователь- Также Adobe Authorware предоставляет не очень ность представления информации в виде сцен. широкие возможности по отображению актив БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ ных (не статических) источников, таких как ви- Модель зуализация витрин данных, живые отчеты и информационных потоков т.п. Для решения вышеуказанных проблем необ Необходимость создания средств и методов ра ходима разработка специального программного ционального управления информационными по обеспечения (ПО), предназначенного для управ токами продиктовала потребность в создании ления информационными потоками и оптими программно-аппаратного комплекса, опирающе зации представления информации, выводимой гося на формальную математическую модель ин на экран коллективного пользования. Такое ПО формационных потоков в СЦ. Далее совокупность должно обеспечивать решение следующих задач:
информационных сообщений, характеризующих подготовка сценариев отображения информа состояние обсуждаемых вопросов, поступающих в ции с использованием различных типов источни С - в различных форматах (например, текстовые ков (как аппаратных, так и программных);
документы, табличные данные, картографическая легкое управление выводом информации с лю информация, видеофайлы) и от различных источ бого источника (программного или аппаратного) ников, через определенные промежутки времени, на любой из экранов СЦ;
будем называть информационным потоком.
управление совещанием (как для операторов, так и для ЛПР) с возможностью оперативного пере- Рассмотрим пример упрощенной схемы соеди ключения между сценариями и управления любым нений ситуационного центра (рис. 1). Предпо источником;
ложим, что оператору нужно вывести отчет из визуализация витрин данных, находящихся в информационно-аналитической системы 1 (ИАС1) информационно-аналитических системах исполь- на ЖК-панель (пассивный дисплей), а отчет из зуемых в СЦ. ИАС 2 на видеостену. Если оператор будет произ ( ) 1 2 3 4 6 7 8 9 IP TV Ethernet ( ) Рис. 1. Схема соединений ситуационного центра.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ водить коммутацию вручную, он может вывести бражения информации). Путем информационного отчет из ИАС 2 на видеостену следующим образом: потока назовем упорядоченную последователь АРМ обработки информации ограниченного до- ность вершин ступа Коммутатор Ethernet Универсаль ный визуализатор Матричный коммутатор r = (v1, v1,...vk), vi V, v1 S, vk T, i=1,k, Контроллер видеостены. Однако в этом случае вывести на ЖК-панель отчет из ИАС 1 будет уже причем любые две последовательные вершины невозможно, так как иного способа сделать это, соединены хотя бы одним ребром из множества E.
кроме как используя универсальный визуализатор, При этом пару р = (v1,vk ) будем называть информа нет, а он уже занят отчетом из ИАС 2. Если бы вы ционным соответствием.
вод этого отчета осуществлялся напрямую с комму Таким образом, состояние информационных по татора Ethernet на контроллер видеостены, то такой токов ситуационного центра можно описать сово проблемы бы не возникло. Можно представить, на купностью информационных соответствий. При сколько более сложно принимать оператору подоб этом для каждого информационного соответствия ные решения в реальном ситуационном центре, где будет существовать реализующий его путь инфор число объектов схемы коммутации может достигать мационного потока.
значения 10 и более.
Используя данную модель, можно изобразить Имеется ряд систем управления информацион схему соединений С - (рис. 1), представленную ным потоком (ИП) на техническом уровне, одна выше, в следующем виде (рис. 2):
ко они сводятся, в основном, к аппаратному либо программному управлению ИП и не решают задачи коммутации множества источников на множество экранов. Для решения описанной задачи потребовалось 2 разработать непротиворечивую и полную матема тическую модель, описывающую информационные потоки ситуационного центра. Основной целью соз 11 дания такой модели является сокрытие вариативно inf сти используемых в С - ресурсов и подготовка ин- inf струментария для формального описания состояния inf С - и его информационных потоков. Для достиже inf ния этих целей была выбрана модель в виде инфор мационной сети, описанной графом. Данный выбор обоснован тем, что в этом случае к решению задачи ST можно применить существующие алгоритмы и мате матические методы теории графов.
Представим информационную сеть С - в виде Рис. 2. Модель информационных ресурсов СЦ.
взвешенного ориентированного графа. Верши нами графа являются устройства СЦ. Источни При данном построении были использованы сле ки информации имеют только исходящие ребра, дующие обозначения вершин:
средства отображения - только входящие, средства Источники (S): u1 Ч терминал ВКС, u2 Ч АРМ преобразования и коммутации - обоих типов. При обработки информации ограниченного доступа, построении данной модели используется терми u3 Ч спутниковый ресивер, u4 Ч визуализатор спе нология задачи о максимальном потоке в ориенти циального назначения, u5 Ч АРМ обработки анали рованном графе [9].
тической информации, u6 Ч файл-сервер.
Назовем информационной сетью С - ориентиро Дисплеи (Т): u7 Ч ЖК-панель, u8 Ч контроллер ванный граф G = (V, E), каждому ребру (u, v) E видеостены (видеостена), u9 Ч визуализатор ин которого поставлено в соответствие число c(u,v) 0, формации на системе распределенных дисплеев называемое пропускной способностью ребра. В (ЖК-панель).
графе выделим две группы вершин - истоки S (ис Коммутационные ресурсы: u10 Ч матричный точники информации) и истоки T (средства ото БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ коммутатор, u11 Ч преобразователь аналогового ставляется возможным. Однако это не означает, видео в IPTV, u12 Ч визуализатор информации на что не существует другого варианта распределения системе распределенных дисплеев, u13 Ч Ethernet информационных потоков, при котором возможно коммутатор.
реализовать все четыре соответствия. Ниже пред Рассмотрим пример распределения информаци- ставлен альтернативный способ распределения ин формационных потоков (рис. 4).
онных потоков в данной модели. Пусть требуется отобразить спутниковое видео на пассивной ЖК p1 r1 = (u1, u10, u8) панели, а на видеостену в трех окнах Ч ВКС, отчет с ИАС 1 и видеофайл с файл-сервера. В терминах модели эту задачу можно описать четырьмя инфор 1 мационными соответствиями (парами вершин из 2 S, T соответственно):
3 p1 = (u1, u8), p2 = (u3, u8), p3 = (u4, u8), p4 = (u6, u7).
11 inf 4 inf Рассмотрим возможные пути информационных inf потоков. Например, допустим, что для первого, inf второго и третьего информационного соответствия 6 реализованы следующие пути информационных ST потоков:
p1 r1 = (u1, u10, u8) p2 r2 = (u3, u10, u8), p2 r2 = (u3, u10, u11,u13, u8), p3 r3 = (u4, u13, u8 ).
p3 r3 = (u4, u13, u12, u10, u8 ).
Рис. 4. Пути информационных потоков (вариант 2).
В графическом виде описанное распределение изображено на рис. 3.
Алгоритм управления 1 информационными потоками 2 Поставленные в предыдущем разделе задачи мо 3 гут быть решены как с помощью каких-либо спе циальных алгоритмов, так и с помощью простого 11 inf 4 перебора. Однако решение данных задач должно inf производиться в автоматическом режиме при каж inf inf дом действии, связанном с изменением конфигура 6 ции С - (до 10 раз в минуту), время для получения ответа не должно превышать 1-5 секунд. С учетом ST экспоненциальной сложности полного перебора вариантов, было необходимо разработать алгоритм решения поставленной задачи распределения. Об щее описание разработанного алгоритма приведе Рис. 3. Пути информационных потоков (вариант 1).
но ниже.
Итак, входом для алгоритма будет информацион Очевидно, что при данном распределении не- ная сеть С - G = (V, E) и набор информационных возможно реализовать четвертое информационное соответствий r1, r2,... r. Выход: набор путей ин m соответствие, т.е. единственный возможный путь формационных потоков p1, p2,... pm, реализующих заданные информационные соответствия, или со из вершины u6 в вершину u7 проходит через ребро (u13, u12), пропускная способность которого ис- общение о невозможности реализовать все из них.
Общую схему алгоритма можно описать следую черпана путем r3. Соответственно, реализовать щим образом:
четвертое информационное соответствие не пред БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ 1. Для каждого источника информации s S, стема видеоконференцсвязи (ВКС). В результате такого что r, t : r = (s, t), находим все пути, ведущие система позволяет пользователю выводить инфор из s в t такие, что каждое ребро графа встречается в мацию с них на любые имеющиеся средства ото пути не более одного раза (если такого ограничения бражения, причем не только находящиеся в одном не поставить, то таких путей могло бы быть беско- помещении с СЦ. ВИРД использует сценарно нечно много при наличии циклов в графе). ориентированный подход: сценарий совещания описывается в ВИРД как нелинейная последо 2. Каждому ребру ставим в соответствие n чисел вательность отдельных сцен, каждая из которых k1, k2,... k, каждое из которых представляет ко m включает взаимное расположение графических личество проходящих через ребро возможных пу окон от источников на ЭКП, а также состояние тей информационных потоков соответствующего всего оборудования комплекса в каждый момент типа.
времени. Благодаря полной интеграции продукта 3. Для каждого ребра, через которое проходят воз с Microsoft Power Point, граф сцен сценария мо можные пути информационных потоков более чем жет быть получен автоматически из уже созданной одного типа, поочередно пробуем удалить возмож презентации, что, несомненно, уменьшает время ные пути разных типов.
на адаптацию пользователей к новому продукту.
4. При каждой попытке удаления путей выполня ВИРД имеет модульную архитектуру.
ется проверка: существуют ли еще информацион Одним из примеров успешных внедрений ные потоки данного типа, кроме удаляемых. Если ВИРД является Ситуационный центр Губернато существуют, удаляем потоки и на ребрах, через ко ра Пензенской области (рис. 5). В настоящее вре торые они проходили, соответствующим образом мя С - работает в двух основных режимах: режиме уменьшаем число k. Если нет, переходим к следую Планового совещания и режиме Аналитической щему типу. Если не удается удалить информацион телеконференции. В режиме Планового сове ные потоки с ребра, кроме одного, это означает, что щания материалы собираются аналитиком С - данный набор пар невозможно реализовать на дан как с помощью специализированных ИАС, так и ной информационной сети. Если удается Ч пере вручную с использованием универсальных средств ходим к следующему ребру.
связи. На АРМ аналитика производится обработ 5. Критерием положительной остановки алго ка данных, их агрегирование и преобразование в ритма является отсутствие ребер, через которые вид, пригодный для визуализации. Полученные проходит более одного возможного информаци в результате этой работы файлы (графики, карты, онного потока (этот критерий аналогичен условию схемы, отчеты) отправляются через файл-сервер останова алгоритма, реализующего метод Форда на АРМ оператора визуализации. Оператор, ис Фалкерсона [9] для решения задачи о максималь пользуя ПО ВИРД, создает сценарий совещания.
ном потоке и минимальном разрезе).
Данный сценарий состоит из ряда сцен, каждая из которых содержит многооконные раскладки ин Внедрение формационных образов на средствах отображения коллективного пользования (видеостена, монито На основе вышеописанных алгоритмов разрабо ры на столах) и состояние оборудования. Последо тано ПО ВИРД (Визуализация информации на вательность сцен в сценарии определяется повест системе распределенных дисплеев). Основным от кой совещания, но может и содержать ветвления, а личием ПО ВИРД от большинства существую также заготовки для обсуждения вновь возникших щих систем является максимально простой и удоб во время совещания вопросов.
ный пользовательский интерфейс, позволяющий пользователю без специальных технических зна- Во время совещания, оператор (или непосред ственно ЛПР) управляет ходом сценария (перехо ний и понимания природы и свойств источников информации и средств отображения эффективно дом со сцены на сцену, а также информационными управлять процессом совещания и выводом не- образами источников, представленных на экране).
обходимой информации. Этот подход позволил Важной особенностью данного технологического успешно интегрировать в одном продукте возмож- подхода к визуализации является то, что во время ности работы с любыми источниками информации, проведения совещания для создания информаци будь то информационно-аналитическая система, онных образов не используются АРМы операторов обычный текстовый документ или, например си- или аналитиков Ч визуализация происходит непо БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ 1 2 3 4 6 7 8 9 ( ) Рис. 5. Схема работы ВИРД в С - Администрации Пензенской области.
средственно на дисплеях (например, на видеосте- аналитической поддержки на оборудование уда не). Это позволяет отображать сцены с произволь- ленных абонентских пунктов.
ным количеством информационных образов при Сложность решения поставленной задачи со наличии всего двух АРМ Ч оператора и аналити стояла в том, что наряду с низкой пропускной спо ка. Причем, поскольку АРМ аналитика также сво собностью каналов связи (2 Мбит/с) экраны в С - боден, аналитик может использовать его во время и в муниципальных образованиях имеют разную совещания для поиска и подготовки какой-либо информационную емкость (в С - видеостена и но оперативно потребовавшейся дополнительной ин утбуки, а в муниципальных образованиях - проек формации.
торы или ЖК-дисплеи).
В режиме Аналитической телеконференции Решением данной задачи стало обеспечение ав совещания с главами муниципальных образова томатического режима загрузки на визуализаторы ний проходят одновременно для 30 удалённых му блока информационной поддержки в ходе техниче ниципальных образований. Ранее на удалённых ского сеанса ВКС с последующим одновременным абонентских пунктах отсутствовала возможность выводом на дисплеи удаленных абонентов и управ видеть материалы, документы и подготовленную ление показом этой информации во время рабочего аналитическую информацию, отображаемые на сеанса. Для реализации данного решения в услови основных экранах в С - во время совещаний. Это ях описанных ограничений было внедрено синхро приводило к тому, что для удалённых абонентов низированное управление отображением инфор отсутствовала возможность полноценно работать мации под управлением ВИРД в муниципальных по обсуждаемым вопросам повестки совещания. В образованиях. Это позволило оператору С - во вре связи с этим руководством Управления информа- мя подготовки сценария располагать информаци тизации Пензенской области было сделано предло- онные образы не только на локальных дисплеях, но жение, реализовать на базе ПО ВИРД функцию и на удаленных абонентских пунктах, учитывая при обеспечения трансляции блока информационно- этом их информационную емкость. Соответствен БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.
БИЗНЕС-ИНТЕЛЛЕКТ И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЙ по сети передаются лишь управляющие сигналы, ми отображения, а также демонстрация различных что позволило экономить пропускную способность аналитических и медиа-данных в форме, удобной канала для видео- и аудиопотоков. для восприятия. Особенностью данного внедрения является использование ВИРД для одновремен Программное обеспечение ВИРД было также ного управления отображением информации из от внедрено в С - Губернатора Сахалинской области.
крытого и закрытого контуров без нарушения режи ПО ВИРД решает для С - губернатора целый ряд ма безопасности. Это было достигнуто при помощи задач: разработка сценариев отображения информа разработки специальной системы коммутации.
ции, оперативное управление сценариями и режима Заключение Таким образом, для оптимизации работы си- казала повышение эффективности использова туационного центра разработана математиче- ния программно-технических средств С - за счет ская модель информационных потоков С - и автоматизации и оптимизации процессов подго на ее основе построен алгоритм оптимально- товки и управления информационными потока го управления информационными потоками. ми, разработки сценариев отображения инфор На базе разработанного алгоритма реализовано мации, оперативного управления сценариями и программно-аппаратное решение ВИРД, которое режимами отображения, а также демонстрации внедрено в ситуационном центре Пензенской различных аналитических и медиаданных в фор области. Практика внедрения ПО ВИРД по- ме, удобной для восприятия и работы ЛПР.
Литература 1. Ильин Н.И., Демидов Н.Н., Попович П.Н. Развитие систем специального информационного обеспе чения государственного управления. - М.: Медиа Пресс, 2009.
2. Середа Г.К., Бочарова С.П., Репкина Г.В. Инженерная психология / Под ред. Г.К. Середы. - Киев:
Вища школа, 1976. - 308 с.
3. Кучерявый А.А. Бортовые информационные системы / Под ред. В.А. Мишина и Г.И. Клюева. -2-е изд. перераб. и доп. - Ульяновск: УГТУ, 2004. - 504 с.
4. Новикова Е.В. Создание ситуационных центров на базе аудиовизуальных и информационно коммуникационных технологий // Материалы конф. Ситуационные центры: модели, технологии, опыт практической реализации. - М.: РАГС, 2006. - 25с.
5. Ишеев И.А. Технические подсистемы и специализированное ПО для эффективной работы современ ного СЦ. //Материалы конф./ Ситуационные центры и информационно-аналитические средства поддержки принятия решений. - М.: РАГС, 2009.
6. Мезенцев А.А., Павлов В.М., Шарнин А.В. Управление, вычислительная техника и информатика/ Двухуровневая компьютерная видеосистема с большой панелью коллективного или группового поль зования 7. Control Systems for Home Automation, Campus & Building Control by Crestron Electronics, 2010. URL:
(дата обращения: 10.09.2010) 8. Partridge Charles W. (Wylie, TX, US), Barber Ronald W. (Plano, TX, US), Lee Mark R. (Richardson, TX, US), Holub Douglas R. (Irving, TX, US), System and method for multimedia display, United States, AMX LLC (Richardson, TX, US), 2008.
9. Кормен Т., Ч. Лейзерсон, и Р. Ривест. Алгоритмы: построение и анализ. - М.: МЦНМО, 2001. -535c.
БИЗНЕС-ИНФОРМАТИКА №1(15)Ц2011 г.