Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Курганская Ольга Викторовна
МЕТОДИКА И СРЕДСТВА ИНТЕЛЛЕКТНОГО КОНТРОЛЯ И ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА В ИССЛЕДОВАНИЯХ ЭНЕРГЕТИКИ
Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Иркутск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) Сибирского отделения Российской академии наук.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Массель Людмила Васильевна
Официальные оппоненты: Аршинский Леонид Вадимович - доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), заведующий кафедрой Информационные системы Такайшвили Людмила Николаевна - кандидат технических наук, ФГБУН Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН), старший научный сотрудник, отдел Региональных проблем энергетики
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Защита диссертации состоится 07 июня 2012 г. в 10.00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения по адресу 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения.
Автореферат разослан 02 мая 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.004.01.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций, д.т.н., профессор И.И. Тихий
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. Управление топливно-энергетическим комплексом (ТЭК) страны в настоящее время невозможно без научного обоснования перспективных направлений развития ТЭК. Одним из важных аспектов в исследованиях развития ТЭК являются исследования направлений развития ТЭК с позиций энергетической безопасности (ЭБ).
ЭБ рассматривается как составляющая национальной безопасности, в частности, как состояние защищенности граждан, общества, государства и экономики от угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в различных условиях1. Институт систем энергетики им Л.А. Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН является одним из лидеров в области исследований энергетики. В ИСЭМ СО РАН выполняются различные исследования в области энергетики, в том числе исследования направлений развития ТЭК России, регионов и отдельных отраслевых систем энергетики с позиций ЭБ.
Невозможность проведения натурных экспериментов в исследованиях ЭБ определяет главенствующую роль методов математического моделирования и вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ. Существующие в ИСЭМ СО РАН технологии исследования ЭБ базируются на проведении сложных вычислительных экспериментов. В ходе таких вычислительных экспериментов проводятся исследования на основе техникоэкономических моделей отдельных отраслевых систем энергетики, экономико-математических моделей ТЭК в целом, а также исследования угроз ЭБ на основе когнитивного и событийного моделирования. Все это определяет актуальность задачи преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики.
Исследованиями в области проведения и автоматизации вычислительного эксперимента в различных сферах занимались А.А. Самарский, М.М.
Горбунов-Посадов, В.И. Легоньков и др. В исследованиях энергетики вопросами организации вычислительного эксперимента занимались Л.А. Мелентьев, А.А. Макаров, Л.Д. Криворуцкий, И.А. Шер, Л.В. Массель и др.
Существующие средства поддержки вычислительных экспериментов в исследованиях ЭБ (программные комплексы) традиционно решают задачу преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента эмпирически. Каждый такой программный комплекс предназначен для расчета фиксированной математической модели и обработки строго определенных структур и форматов данных. Это обстоятельство существенно затрудняет Энергетическая безопасность. Термины и определения/ отв.ред. Н.И. Воропай. - М.:ИА - Энергия, 2005, 60 с.
внесение изменений в используемые математические модели и исходные данные, что требует участия специалиста-программиста в проведении вычислительных экспериментов в исследованиях ЭБ.
В настоящей работе предлагается унифицированный подход к решению задачи преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, основанный на применении методов системного анализа и дедуктивного синтеза программ.
В области системного анализа автор опирается на результаты исследований, полученные С. Л. Оптнером, С. Янгом, Ф.И. Перегудовым, Ф.П.
Тарасенко, В.Н. Волковой, В.П. Голубковым и др. В области дедуктивного синтеза программ - на результаты, полученные А.П. Ершовым, С.С. Лавровым, С.Н. Васильевым и др. в СССР и России, а также на результаты, полученные З. Манна, Р. Уолдингером, Ч. Ченем, Р. Ли и др. за рубежом.
Сущность исследования заключается в рассмотрении вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ в виде системы взаимосвязанных процессов преобразования данных. Применение методов системного анализа для решения задачи преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ позволило выделить типы процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ и унифицировать их выполнение. Для унификации этих процессов использованы методы дедуктивного синтеза программ.
Идея дедуктивного синтеза программ заключается в построении программы в ходе формального логического вывода теоремы е существованияв некотором формальном исчислении. Применительно к задаче преобразования данных для вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ это означает представление процесса преобразования или контроля данных в виде логической формулы (теоремы), называемой декларативным представлением. В ходе формального логического вывода декларативного представления автоматически синтезируется программа, преобразующая (контролирующая) данные в соответствии с заданными требованиями. Такой подход позволяет решать задачу контроля и преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ автоматически, без привлечения специалиста-программиста.
Объектом исследования является информационная технология проведения вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики на примере исследований проблем ЭБ России и е регионов.
Термин лтеорема здесь и далее обозначает выводимую (доказуемую) формулу формального исчисления (см. напр. Ершов Ю.Л., Палютин Е.А. Математическая логика. - М.: Наука, 1979. - 320 с.) Предметом исследования являются процессы преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики.
Цель диссертационной работы разработка методического подхода и средств интеллектного преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ, являющихся важной составляющей поддержки принятия решений в области управления развитием ТЭК России и ее регионов.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих подходов и средств поддержки вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
2. Разработать методический подход к интеллектному преобразованию и контролю данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ на основе применения декларативных представлений процессов преобразования данных, в том числе:
методические принципы интеллектного преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ;
декларативные представления процессов преобразования и контроля данных для вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, алгоритмы их построения и применения, а также исследование их свойств;
методику интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
3. Разработать научно-исследовательский прототип программного обеспечения для поддержки интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ.
Методами исследования являются методы системного анализа, автоматического доказательства теорем и дедуктивного синтеза программ, а также методы объектно-ориентированного программирования.
Предложенный подход является интеллектным3 и позволяет решать задачи преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ автоматически, без привлечения специалиста-программиста.
Научную новизну составляют и на защиту выносятся:
Термин линтеллектный обозначает подход, позволяющий достичь некоторого сходства с интеллектом, демонстрируемым человеком (см. напр. Васильев С.Н. и др. Интеллектное управление динамическими системами. - М.: Физматлит, 2000. - 352 с.) 1. Впервые предложенный методический подход к интеллектному преобразованию данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ на основе применения декларативных представлений процессов преобразования данных, который включает:
Методические принципы интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, отличающиеся тем, что они основаны на использовании дедуктивного синтеза программ.
Разработанные впервые для задач исследований проблем ЭБ декларативные представления процессов преобразования и контроля данных, алгоритмы их построения и применения, а также их свойства.
Ранее отсутствовавшую методику интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
2. Схема взаимодействия и базовый состав компонентов программного обеспечения для интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ, отличающиеся тем, что они разработаны на основе предложенного методического подхода.
3. Основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ России и е регионов, отличающейся от существующей применением средств интеллектного контроля и преобразования данных.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты исследования применяются в исследованиях энергетической безопасности России и е регионов, проводимых в ИСЭМ СО РАН, в частности, в рамках двухуровневой интеллектуальной технологии исследований ЭБ.
Результаты работы применены также при выполнении:
проекта СО РАН № 4.3.1.3 Разработка методических основ и интеллектуальных компонентов ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № 4.3.1. Информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений (2007-2009);
проекта СО РАН №IV.31.2.13 Методические основы и инструментальные средства интеллектуальной поддержки исследований в энергетике в рамках приоритетной программы исследований СО РАН № IV.31.2.
Новые ГИС и Веб-технологии, включая методы искусственного интеллекта, для поддержки междисциплинарных научных исследований сложных природных, технических и социальных систем с учетом их взаимодействия (2010-2012);
проекта №2.29 Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности по гранту Программы Президиума РАН №2 Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация (2009-2010);
проектов по грантам РФФИ №07-07-00265а и РГНФ №07-02-12112в (2007-2009), грантам РФФИ №08-07-00172 (2008-2010), №10-07-002(2010-2012), №11-07-00192 (2011-2012).
Достоверность и эффективность полученных результатов определяется достоверностью и эффективностью адекватно примененных современных научных методов. Достоверность результатов подтверждается строго доказанными свойствами декларативных представлений процессов преобразования и контроля данных.
Публикации. Содержание и результаты диссертационной работы отражены в девяти публикациях, в том числе в трех статьях в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени кандидата наук.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, научных семинарах и заседаниях: XIII, XIV XV и XVI Байкальских Всероссийских конференциях Информационные технологии в науке и управлении (Иркутск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.); XII Международной конференции Computer Science and Informational technologies (Санкт-Петербург, 2010 г.); Российско-монгольской конференции молодых ученых (Иркутск - Ханх, 2011 г.); XI Всероссийской конференции молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Иркутск, 2010 г.); XL и XLI конференциях-конкурсах научной молодежи Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (Иркутск, 2010-2011 гг.), на заседаниях секции Прикладная математика и информатика Ученого совета ИСЭМ СО РАН, семинарах отдела Живучести и безопасности систем энергетики ИСЭМ СО РАН.
ичный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трх глав, заключения, библиографии и трх приложений. Общий объм диссертации - 146 страниц. Библиография включает 95 наименований.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрываются цели работы, дается е общая характеристика, формулируются задачи исследования, обосновывается актуальность, отмечаются научная новизна и практическая значимость.
В первой главе автором выполняется системный анализ вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ.
Рассматривается концепция исследования ТЭК России и е регионов с позиций энергетической безопасности и взаимосвязь решаемых при этом задач4. Анализируются технологии исследований ЭБ России и е регионов, проводимые при этом вычислительные эксперименты и средства автоматизации вычислительных экспериментов. В частности, рассматриваются технология исследования энергетической безопасности России и е регионов, основанная на последовательном применении экономико-математических моделей ТЭК и отдельных отраслей5, а также технология интеллектуальной поддержки принятия решений в исследованиях ЭБ6.
Автором отмечается, что проведение вычислительного эксперимента для исследований проблем ЭБ России и е регионов представляет собой систему процессов преобразования данных. В эту систему входят процессы сбора и контроля исходных данных, процесс формирования математической модели, процесс расчета математической модели, процессы контроля и преобразования результатов расчета для дальнейшей содержательной интерпретации.
Основные особенности вычислительного эксперимента в исследованиях проблем энергетической безопасности, определяющие сложность преобразования данных в рамках вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, заключаются в следующем:
1. Многовариантный характер проводимых исследований. Расчеты для исследований проблем энергетической безопасности выполняются для различных вариантов параметров математической модели.
2. Многоуровневый характер проводимых исследований. Комплексные расчеты для исследований проблем ЭБ проводятся с применением различных математических моделей разных уровней агрегирования.
Системные исследования в энергетике: Ретроспектива научных направлений СЭИЦИСЭМ / отв. ред. Н.И.
Воропай. - Новосибирск: Наука, 2010. - 686 с.
Энергетическая безопасность России / В.В. Бушуев, Н.И. Воропай, А.М. Мастепанов, Ю.К. Шафраник и др.
- Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 302 с.
Массель Л.В. Применение онтологического, когнитивного и событийного моделирования для анализа развития и последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике / Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций, №2, 2010. - с. 34-43.
3. В ходе вычислительного эксперимента применяются математические модели большой размерности (несколько тысяч переменных, несколько сотен уравнений).
4. Для вычислительного эксперимента используются внешние решатели и средства содержательной интерпретации.
5. Многократное использование в рамках вычислительного эксперимента одних и тех же данных в разных целях (например, для расчета на различных моделях, для содержательной интерпретации с помощью разных средств).
Автором отмечается, что существующие подходы к поддержке вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ ориентированы на фиксированные математические модели и наборы исходных данных, что существенно затрудняет возможности внесения изменений в средства поддержки вычислительных экспериментов и требует участия специалистапрограммиста при проведении таких вычислительных экспериментов.
Для решения задачи преобразования данных для вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ с учетом приведенных особенностей, автором предлагается использовать метод дедуктивного синтеза программ. В данном исследовании задача дедуктивного синтеза программ решена с применением исчисления позитивно-образованных формул (ПОФ)7.
На основе проведенного анализа вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ и отличительных черт предложенного решения задачи методом дедуктивного синтеза программ сформулированы следующие методические принципы интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ:
1. Вычислительный эксперимент в исследованиях ЭБ представляет собой систему взаимосвязанных процессов преобразования данных. В эту систему входят процессы: сбора, контроля и подготовки исходных данных для проведения вычислительного эксперимента, формирования математической модели, расчета математической модели, подготовки и контроля данных для содержательной интерпретации результатов расчета, содержательной интерпретации результатов расчета.
2. Вычислительный эксперимент в исследованиях ЭБ осуществляется с применением внешних решателей, содержательная интерпретация результатов вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ осуществляется с помощью внешних программных средств.
3. В рамках вычислительного эксперимента выделяются три типа процессов преобразования данных: процесс преобразования данных в файлы задан Васильев С.Н. и др. Интеллектное управление динамическими системами. - М.: Физматлит, 2000. - 352 с.
ного формата и структуры, процесс контроля данных, процесс преобразования данных внешним инструментальным средством.
4. Процессы преобразования данных в файлы заданного формата и структуры, а также контроля данных в ходе вычислительного эксперимента задаются в виде декларативных представлений. В частности, в виде декларативных представлений задаются форматы и структуры преобразуемых данных, а также правила контроля и преобразования данных.
Последний методический принцип уточняется следующими положениями построения и использования декларативных представлений процессов преобразования данных:
1. Для хранения исходных данных и создания декларативных представлений используются XML-документы8. Для задания требований к структуре XML-документа, его элементам, их содержимому и атрибутам предлагается использовать XML-документы специальной разметки, называемые в дальнейшем схемами.
2. Декларативные представления процессов преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ представляют собой теоремы узкого исчисления предикатов и строятся по XMLдокументам и их схемам. C элементами этих теорем связываются так называемые нелогические элементы - шаблоны команд запуска преобразующих подпрограмм. Эти подпрограммы преобразуют элементы исходного XML-документа в заданный формат или проверяют выполнение требований к структуре и содержимому обрабатываемых XML-документов. В дальнейшем такие подпрограммы называются элементами сценария преобразования данных или контрольными соотношениями соответственно.
огический вывод этих теорем в исчислении ПОФ эквивалентен процессам преобразования (контроля) данных. В процессе вывода в исчислении ПОФ из шаблонов команд запуска преобразующих подпрограмм строятся сценарии преобразования (контроля) исходных XML-документов. Результатом исполнения сценария преобразования (контроля) данных является файл заданного формата, содержащий данные из XML-документа или протокол контроля XML-файла.
Применение декларативных представлений процессов преобразования данных позволяет унифицировать процессы преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента и управлять ими. Управление достигается за счет синтеза сценариев преобразования данных из описаний форматов и структур этих данных. Управление процессами преобразования данных поExtensible Markup Language (XML). URL: (дата обращения 25.10.2011).
зволяет автоматизировать процесс внесения изменений в математическую модель и состав исходных данных, применяемых в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ.
Во второй главе разработаны декларативные представления процессов преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ. Предложены алгоритмы построения и применения декларативных представлений процессов преобразования и контроля данных. Декларативные представления служат основой для методики интеллектного преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ.
Для записи декларативных представлений используется подмножество языка узкого исчисления предикатов. Предметную основу подмножества языка составляют атомы, характеризующие правила преобразования и контроля документов (таблица 1).
Таблица 1. Атомы декларативных представлений процессов преобразования и контроля данных Атом Назначение Vd (x, y) элемент XML-документа x предшествует элементу y, x и y - смежные по вертикали элементы.
H(x, y) элемент XML-документа x предшествует элементу y, x и y - смежные горизонтали элементы.
Vp( y, x) элемент XML-документа y следует за элементом x, x и y - смежные по вертикали.
Q(x, y) задан шаблон преобразования элемента XML-документа x в элемент y.
Z(x) для элемента XML-документа x не задано никаких преобразований.
VVd (x, y) элемент схемы XML-документа x предшествует элементу y, и x, y - смежные по вертикали элементы.
VVp( y, x) элемент схемы XML-документа y следует за элементом x, и x, y - смежные по вертикали элементы.
VH (x, y) элемент схемы XML-документа x предшествует элементу y, и x, y - смежные по горизонтали элементы.
P(x), R(x), элемент XML-документа x может быть обработан, нахоV(x) дится в обработке, успешно обработан.
Для определения отношений смежности между элементами XMLдокументов используются элементы стандартного интерфейса DOM (Document Object Model)9.
Разработаны два вида декларативных представлений для процессов контроля и для процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ. Декларативное представление F(SD, D) процесса контроля соответствия XML-документа D его схеме SD называется теоремой достоверности. Теорема достоверности имеет следующую структуру:
(( S ) ( D )) (B V (a)), i i j j где формулы задают требования к отношениям смежности элементов Si контролируемого документа, представленные в виде схемы, и SD строятся в процессе е обхода;
формулы Dj задают правила обработки элементов XML-документа D и строятся в процессе обхода этого документа, формула B0 (P(a) ND) ND, где формула задает связи между элементами документа D, а атомы P(a),V (a) задают состояние корневого элемента a документа D. Формула строится в процессе обхода доBкумента D.
Декларативное представление G(SD,SM,D,T) процесса преобразования XML-документа D со схемой SD в документ, удовлетворяющий условиям, заданным в схеме SM, называется теоремой синтеза. Структура теоремы синтеза G(SD,SM, D,T) аналогична структуре теоремы достоверности.
Принципиальное отличие заключается в том, что с элементами теоремы синтеза связаны нелогические элементы - элементы сценария преобразования данных T. Элементы сценария представляют собой подпрограммы, которые обеспечивают преобразования данных, содержащихся в документе D, в файл, удовлетворяющий требованиям, заданным в SM.
Автором разработан алгоритм применения декларативных представлений (рис. 1). Применение декларативных представлений заключается в их преобразовании к виду ПОФ и автоматическом синтезе сценариев преобразования данных на основе вывода полученной ПОФ. Вывод ПОФ представляет собой ее многократное преобразование по правилу. Исходя из осо Document Object Model (DOM). Level 1 Specification. URL: (дата обращения 25.02.2011) бенностей выводимой ПОФ, вводится стратегия вывода, доопределяющая процедуру вывода10. Использование стратегии предотвращает зацикливание и устраняет неопределенность при доказательстве ПОФ. Сценарий преобразования или контроля данных исполняется в случае успешного завершения вывода ПОФ.
Рассмотрим декларативное представление процесса контроля данных. Введем понятия достоверности и структурной достоверности документа относительно некоторой схемы. Документ D называется достоверным относительно схемы S, если он удовлетворяет следующим условиям:
1. Тип любого его элемента совпадает с типом одного из элементов схемы.
S 2. Для любой пары элементов документа D отношения смежности совпадают с отношениями смежности соответствующей пары элементов схемы.
S 3. Содержимое любого элемента документа D доставляет истинное значение контрольному соотношению, заданному для элемента данного типа.
В случае если документ удовлетворяет только условиям 1-2, будем называть документ структурно достоверным относительно схемы S.
Рассмотрим алгоритм построения теоремы достоверности F(S, D).
Алгоритм состоит из трех этапов. На первом этапе в процессе обхода схемы документа S строятся формулы S. С элементами формул S связываются i i нелогические элементы - команды запуска контролирующих подпрограмм.
На втором этапе в ходе обработки документа D строятся формулы D. На j Бутаков М.И. и др. Контроль диалога объектных программ на основе позитивно-образованных формул // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, 2010, № 4-6(29). - С. 106-115.
третьем этапе в ходе обхода документа D строится формула. Полное ND формальное описание алгоритма приведено в тексте диссертации.
Сформулировано и доказано следующее свойство теоремы достоверности.
Утверждение 1. Теорема F(S, D) выводима в исчислении ПОФ тогда и только тогда, когда документ D структурно достоверен относительно схемы S.
Доказательство утверждения 1 выполняется построением взаимнооднозначного соответствия между процедурой обхода элементов документа D и шагами вывода теоремы F(S, D).
Рассмотрим декларативное представление процесса преобразования данных. Отметим, что отображение элементов исходного XML-документа на выходной файл должно быть однозначно (функционально) и сюръективно.
Алгоритм построения теоремы синтеза G(SD,SM,D,T) состоит из трех этапов. Первые два этапа аналогичны первым этапам построения теоремы достоверности. На третьем этапе при обходе документа D строится формула. Ее подформулы описывают связи между элементами преобразуеND мого документа и строятся в ходе разбора вариантов отношений смежности между ними. С элементами формулы ND связываются команды запуска преобразующих подпрограмм. Полное формальное описание алгоритма приведено в тексте диссертации.
Сформулировано и доказано следующее свойство теоремы синтеза.
Утверждение 2. Если теорема синтеза G(SD, SM, D,T) выводима в исчислении ПОФ и отображение, задаваемое элементами T сюръективно и, функционально (однозначно), то выходной XML-файл структурно достоверен относительно схемы SM.
Доказательство этого утверждения основывается на свойствах сюръективности и функциональности набора элементов сценария T и построении взаимно-однозначного соответствия между шагами вывода теоремы синтеза и процедурой обхода документа D в прямом порядке.
Рассмотрим преобразование форматированного текстового файла математической модели в XML-файл. Оно осуществляется в ходе лексического анализа текстового файла на основе регулярных выражений11. Шаблоны регулярных выражений связываются с элементами схемы XML-представления текстового документа. В результате обхода такой схемы в прямом порядке Ахо А., Сети Р., Ульман Дж.. Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты. - М.: Издательство Вильямс, 2003. - 654 с.
строится декларативное представление процесса преобразования форматированных текстовых данных в XML- файл в виде регулярного выражения. Его применение позволяет получить искомый XML- файл.
В диссертации предложена методика интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ России и е регионов. Методика включает следующие основные этапы.
Этап I. Подготовка преобразований данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ. Для осуществления преобразований данных в ходе вычислительного эксперимента на основе разработанных декларативных представлений необходимо задать следующие элементы:
схемы используемых файлов, элементы сценариев преобразования данных и шаблоны регулярных выражений.
Этап II. Сбор и контроль исходных данных в прототип, и формирование файла математической модели. Декларативные представления, применяемые на этом этапе, включают: схему прототипа математической модели, прототип, схему математической модели и правила преобразования прототипа в модель.
Этап III. Преобразование и контроль данных для дальнейшей содержательной интерпретации. Декларативные представления, применяемые на этом этапе, включают описание формата текстового представления математической модели, схему ее XML-представления, схему XML-представления данных в формате средства содержательной интерпретации результатов расчетов.
Полное описание методики интеллектного преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ приведено в тексте диссертации. Показано, что разработанная методика интеллектного преобразования и контроля данных применима в различных вычислительных экспериментах в исследованиях ЭБ, не зависит от вида используемой математической модели, решателя и состава исходных данных.
В третьей главе предлагается базовый состав компонентов программного обеспечения для интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента при исследованиях ЭБ и основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента.
Предложенный базовый состав компонентов программного обеспечения для интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента при исследованиях ЭБ представлен в таблице 2.
Таблица 2. Базовый состав компонентов ПО для контроля и преобразования данных на основе обработки декларативных представлений.
№ Компонент Назначение компонента 1. Компонент обзора и Обзор и редактирование XML-документов, редактирования XML- схем XML-документов и элементов сценариев документов преобразования данных.
Построение декларативных представлений процессов преобразования данных.
2. Компонент логического Логический вывод теорем синтеза и вывода, синтеза и достоверности, синтез сценариев исполнения сценариев преобразования и контроля данных.
Исполнение сценариев преобразования и контроля данных.
3. Компонент форматно- Лексический анализ текстового файла управляемого разбора построенным регулярным выражением, текстовых файлов формирование результирующего XML-файла.
4. Компонент запуска Запуск внешних программных средств внешних программных (решателя или средств содержательной средств интерпретации).
5. Компонент управления Запуск перечисленных выше компонентов.
вычислительным экспе- Отслеживание состояния вычислительного риментом эксперимента.
Компоненты представляют собой объекты, доступные прикладной программе при е исполнении, а системе визуального объектноориентированного программирования при проектировании прикладной программы. Определены основные функциональные члены компонентов - важнейшие методы и свойства компонентов, а также обрабатываемые ими события.
Схема взаимодействия разработанных базовых компонентов и внешних программных средств приведена на рис. 2.
Взаимодействие базируется на обработке компонентом управления вычислительным экспериментом файла конфигурации вычислительного эксперимента. Файл конфигурации содержит сведения обо всех инструментальных средствах, файлах и объектах, используемых в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ. В соответствии с этими сведениями компонент управления вычислительным экспериментом запускает и отслеживает состояние работающих компонентов.
Основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ и инструментальные средства их поддержки представлены в таблице 3.
Рис 2. Схема взаимодействия базовых компонентов Разработанный методический подход применен при формировании базового варианта экономико-математической модели для исследований направлений развития ТЭК с позиций ЭБ в формате lp решателя lp_solve.
Пример применения подтверждает пригодность предложенного методического подхода для решения задач преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
В заключении формулируются полученные результаты и определяются перспективы развития работы.
В приложениях к диссертации представлены XML-схема экономикоматематической модели для исследований направлений развития ТЭК с позиций ЭБ, разработанная для применения предложенного методического подхода, и файл в формате решателя, полученный в ходе рассмотрения примера применения, а также акт о внедрении результатов работы.
Таблица 3. Основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ № Технологический эле- Инструментальные Результат мент средства поддержки 1. Задание исходных данных Компонент обзора и Структура XMLдля проведения вычисли- редактирования XML- прототипа, структельного эксперимента файлов тура математической модели 2. Преобразование данных Компонент логическо- XML-прототип с из источника данных в го вывода, синтеза и исходными данXML-прототип исполнения сценариев ными.
3. Контроль XML- Компонент логическо- Протокол контроля прототипа го вывода, синтеза и XML-прототип с исполнения сценариев исходными данными 4. Преобразование исход- Компонент логическо- Файл математиченых данных в математи- го вывода, синтеза и ской модели в ческую модель исполнения сценариев формате решателя 5. Расчет математической Решатель Файл с результамодели тами расчета в текстовом формате решателя 6. Преобразование резуль- Компонент форматно- Файл с результататов расчета в XML- управляемого разбора тами расчета в формат текстовых данных формате XML.
7. Преобразование результа- Компонент логическо- XML-прототип с тов расчета в XML- го вывода, синтеза и результатами расформате в XML-прототип исполнения сценариев чета 8. Контроль XML-прототипа Компонент логическо- Протокол контроля с результатами расчета го вывода, синтеза и XML-прототип с исполнения сценариев результатами расчета 9. Преобразование данных Компонент логическо- Файл с результаиз XML-прототипа в файл го вывода, синтеза и тами расчета в формата средства содер- исполнения сценариев формате средства жательной интерпретации содержательной интерпретации 10. Содержательная интер- Средство содержа- претация результатов рас- тельной интерпретачета ции ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ В работе решена важная научно-практическая задача создания методического подхода и средств интеллектного преобразования и контроля данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ. Получены следующие основные результаты:
1. Выполнен анализ существующих подходов и средств поддержки вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, с рассмотрением вычислительного эксперимента для исследований проблем ЭБ как системы взаимосвязанных процессов преобразования данных.
2. Разработан методический подход к интеллектному контролю и преобразованию данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ на основе применения декларативных представлений процессов преобразования данных, который включает:
Методические принципы интеллектного преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ, основанные на использовании дедуктивного синтеза программ.
Декларативные представления процессов преобразования и контроля данных, алгоритмы их построения и применения, а также их свойства.
Методика интеллектного преобразования и контроля данных на основе декларативных представлений процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ.
3. Предложены схема взаимодействия и базовый состав компонентов программного обеспечения для проведения вычислительного эксперимента в исследованиях проблем ЭБ России и е регионов, основанные на применении предложенного методического подхода.
4. Определены основные элементы технологии интеллектного преобразования данных в ходе проведения вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ России и е регионов, основанные на применении средств интеллектного преобразования и контроля данных.
Результаты исследования применяются в исследованиях ЭБ России и е регионов, в частности, в рамках двухуровневой интеллектуальной технологии исследований, проводимых в ИСЭМ СО РАН.
Результаты диссертационной работы также применены при выполнении двух базовых проектов СО РАН, проекта по гранту программы Президиума РАН и пяти проектов по грантам РФФИ и РГНФ.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. Бутаков М.И., Курганская О.В. Решение учебных задач трансляции на основе позитивно-образованных формул. - Системы управления и информационные технологии, №3.1(33). - Воронеж: Изд-во Научная книга, 2008 - с. 124-128.
2. Массель Л.В., Курганская О.В. Автоматизация вычислительного эксперимента на основе логических моделей - Вестник Иркутского государственного технического университета, №2(49). - Иркутск:
Изд-во Иркутского государственного университета, 2011. - с. 8-14.
3. Курганская О.В. Декларативные представления процессов преобразования данных в ходе вычислительного эксперимента в исследованиях ЭБ. - Современные технологии. Системный анализ.
Моделирование, №1(33). - Иркутск: ИрГУПС, 2012. - c. 147-152.
4. Бутаков М.И., Курганская О.В. Лексический анализ: обучение моделированию и программированию. - Информационные технологии моделирования и управления, №2(45). - Воронеж: Изд-во Научная книга, 2008. - с. 128-135.
5. Курганская О.В. Порождение и контроль экономико-математических моделей топливно-энергетического комплекса России. - Системные исследования в энергетике/ Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, вып.
40. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - с. 311 - 315.
6. Курганская О.В. Организация и контроль исходных данных для решения задач порождения и контроля экономико-математических моделей ТЭК России. - Труды XV Байкальской Всероссийской конференции Информационные и математические технологии в науке и управлении.
Часть III. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2010. - с. 115 - 120.
7. Kurganskaya O.V. Generation and verifying of fuel-energy complex mathematical models. - Proceedings of the 12th International Conference УCоmputer Science and Information TechnologiesФ, vol. 1, 2009. - Уфа: УГАТУ, 2010. - с. 51 - 54.
8. Курганская О.В. Контроль достоверности XML-документов на основе логического вывода. - Винеровские чтения / Труды IV Всероссийской конференции. - Иркутск: ИрГТУ, 2011. - с. 184 - 190.
9. Курганская О.В. Архитектура программного обеспечения для автоматизации вычислительного эксперимента. - Информационные и математические технологии в науке и управлении / Труды XVI Всероссийской Байкальской конференции. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2011. - с. 109- 114.
Жирным шрифтом выделены статьи из журналов, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов диссертаций.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям