Geum.ru

Программа 3 информационные и вычислительные технологии в задачах поддержки принятия решений отчет

Вид материалаПрограмма

Содержание


Общая характеристика выполненных в 2009 г. работ.
Основные (важнейшие) результаты
М(39 в-в, 67 реакт., 88 парам)
Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для комплексной поддержки территориального управления
Программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в кризисных ситуациях
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

Проект 4.3.1.4. Разработка гибридных интеллектуальных информационных технологий на основе интеграции геоинформационных, нейросетевых, экспертных и аналитических систем. (Институт вычислительного моделирования СО РАН)


Общая характеристика выполненных в 2009 г. работ.

Развит метод топологических грамматик с возможностью динамически чередовать стадии роста аппроксимирующего дендрита и стадии его самоупрощения. Разные стадии управляются различными грамматиками. Показано, что такие гибридные процедуры дают более правдоподобное описание эмпирических данных. Разработаны методы топологических грамматик и ветвящихся главных компонент для сокращения описания в динамических системах большой размерности. Методы главных графов и многообразий адаптированы для применения в задачах системной биологии. По сравнению с методом главных компонент (эмпирических собственных функций) новые методы дают существенный выигрыш в размерности и позволяют формулировать нелинейные галеркинские приближения малой размерности.

Разработаны методы описания и анализа сигнальных молекулярных каскадов, вовлеченных в регуляцию клеточного цикла, которые позволяют представлять структуру молекулярных каскадов в виде взаимодействующих модулей. Модули могут быть охарактеризованы их эмпирической активностью, которая может быть оценена из данных об экспрессии генов, определяющих состав модуля. На основании теоретического анализа произведена оценка количества функциональной некодирующей ДНК во всех секвенированных и доступных геномах. Выявлен принципиально разный характер функционирования некодирующей ДНК в геномах проукариотов и еукариотов.

Разработаны методы восстановления отсутствующих данных в символьных последовательностях. А именно метод, использующий матричное представление частотного словаря, позволяющий получить все возможные заполнения, и субоптимальный метод, использующий генетические алгоритмы. Субоптимальный метод позволяет получить заполнение, удовлетворяющее принципу максимального подобия, и при этом требует гораздо меньше машинных ресурсов. Разработан метод восстановления отсутствующих данных в символьных последовательностях, включающий в себя три алгоритма: с применением кинетической машины Кирдина, с применением матричного представления частотного словаря, с применением генетических алгоритмов. При выборе наилучшего из полученных заполнений используется принцип максимального подобия. Исследованы области применимости каждого алгоритма. Получены оценки их вычислительной сложности.

Исследованы модели оптимальных миграций двухвидовых популяций для случая двух и более стаций. Исследованы модели двухвидовых популяций, в которых особи взаимодействуют по типу «хищник-жертва». Популяции занимают две или более стаций, между которыми особи совершают миграции. При этом предполагается, что особи совершают целенаправленные миграции, то есть такие миграции, которые максимизируют средний по пространству коэффициент размножения. Рассматривались модели глобально информированных особей с рефлексивным поведением для двух стаций, глобально информированных особей для двух и более стаций и локально информированных особей для двух стаций. Для всех моделей проведены численные эксперименты для выявления динамики численности популяций и предельных режимов, соответствующих различным наборам параметров.

Разрабатывается математическая модель движения людей, которая предполагает визуализацию движения людских потоков в пространствах любой геометрии, в различных психологических состояниях. Модель является дискретной, основана на теории клеточных автоматов. Разрабатываются математические «инструменты» анализа окружающей обстановки и принятия решений (имитация человеческого интеллекта). Модель предусматривает воспроизведение «конкуренции» между двумя основными стратегиями, которые использует человек во время передвижения до заданной цели – стратегии кратчайшего пути и стратегии кратчайшего времени.

Разработана методика комплексной поддержки процессов подготовки, формирования и реализации решений в территориальном управлении на основе совокупности методов и алгоритмов оценивания состояния территории, формирования управленческих решений и документационного обеспечения управленческих задач. Формирование управляющих рекомендаций основано на результатах комплексного оценивания показателей благополучия и представлениях экспертов о благополучии территории с определением причин возникновения проблемных ситуаций и путей их решения. Разработан метод генерации текстовых документов в процессе подготовки и реализации управленческих решений, основанный на интеграции технологических средств управления документами со средствами OLAP-моделирования и управления данными, что позволяет создавать документы сложной структуры, не требуя программирования и обеспечивая работу с данными в терминах предметной области.

С целью повышения производительности информационно-аналитических систем, построенных на основе специализированных хранилищ данных, разработана методика адаптивного управления процессом проектирования и развития хранилищ данных. Результатом применения методики является хранилище, удовлетворяющее критерию задачи управления. Применение принципа адаптации позволяет создавать эффект приспособления хранилища к изменяющимся условиям эксплуатации и учитывать требования пользователей. Разработаны алгоритмы определения релевантных элементов множества представлений и выбора представлений, позволяющие принимать решения о корректировке модели данных для повышения производительности хранилища, учитывая условия эксплуатации и специализированную информацию о предметной области.

Адаптирована и доработана технология динамических фильтров, позволяющая задавать условия фильтрации непосредственно во время работы программы, на основе фактически обрабатываемых данных. Особенностью разработанного инструментария является фильтрация данных на уровне запросов к СУБД. Созданные средства позволяют осуществлять предварительную настройку условий фильтрации до обращения к основному массиву данных. Реализованы функции персонифицированной настройки фильтров для различных пользователей и долговременного хранения фильтров в базе данных.

Для комплексного решения задач поддержки организации муниципального управления выполнена интеграция программных систем с Web-средствами размещения и представления данных в рамках единого программно-технологического комплекса для обеспечения оперативного размещения, доступа к информации и проведения электронных аукционов. В интернет-системе реализовано кроссплатформенное функционирование, обеспечивающее работу сервера на Windows и Unix и на Web-серверах Apache и IIS. Для обеспечения отказоустойчивости в системе реализована двухсерверная конфигурация функционирования сайта: основной сервер – master и резервный –slave, при которой размещение информации и проведение электронных аукционов осуществляются на основном сервере, в случае внештатных ситуаций система переходит к функционированию на резервном сервере.

Выполнена программная интеграция технологий традиционных баз данных с Web-технологиями, что позволило создать универсальные программные решения. Разработаны методы и средства для синхронизации рабочей базы с базой данных сайта в зависимости от функционального назначения и объема данных. Связь Web-сайта с оперативной базой данных обеспечивает актуальность публикуемых данных, простоту и удобство работы специалистов, оперативность размещения информации на сайте, а также защиту от несанкционированного использования. Универсальность и кроссплатформенность разработанных подходов позволяют с минимальными изменениями производить адаптацию системы и ее миграцию на совместимые программные платформы. Система может работать на Windows и Unix и на Web-серверах Apache и Internet Information Services (IIS), что обеспечивает гибкость программных решений.

Создана унифицированная информационная среда для поддержки процессов планирования, размещения и контроля расходования бюджетных средств в рамках процедур организации муниципальных и государственных заказов. На основе обобщенной модели унифицированного справочника разработаны единые механизмы хранения и доступа к данным, средства обмена, контроля информации, мониторинга бизнес-процессов, правила управления правами доступа. Созданная унифицированная информационная среда позволила автоматизировать деятельность специалистов, участвующих в размещении заказов на всех этапах его реализации.

Исследованы и систематизированы технологические особенности и проблемы, возникающие при многомерной обработке данных в технологии OLAP (On-Line Analytical Processing – оперативная аналитическая обработка). Предложены решения, позволяющие оптимизировать вычислительные затраты, снизить затраты на разработку и повысить достоверность получаемых результатов. Разработаны алгоритмы расчета показателей на основе средств организации и контроля разнонаправленных проходов вычислительных процедур. При этом в алгоритм вводятся переменные, отвечающие за идентификацию координат набора данных по измерениям, что позволяет выполнять вычисления при переходе по граням гиперкуба.

Предложена модель знаний для метаописания комплекса OLAP-моделей, позволяющая формировать описание каждой OLAP-модели, отношений между OLAP-моделями, а также условий выполнения, коррекции, или выбора моделей в зависимости от многомерных показателей. Разработаны алгоритмы интеллектуального управления комплексом OLAP-моделей, позволяющие выполнять расчет показателей территориальной программы медицинской помощи путем реализации логического вывода на знаниях, представляющих метаописание моделей.

Разработан новый инструментарий OLAP-системы «Аналитик», позволяющий встраивать модули оперативной аналитической обработки данных в интегрированную систему. Предложен универсальный способ хранения готовых витрин данных в специальном разделе анализируемой базы данных, что позволяет сконцентрировать внимание конечного пользователя на подтверждении, или опровержении статистическими данными аналитических гипотез, необходимых для принятия эффективного управленческого решения. Сохранение витрин данных в исходном источнике данных открывает дополнительные возможности по многопользовательскому доступу к построенным схемам формирования аналитических моделей для их актуализации и приведения в соответствие с изменяющими потребностями пользователей. В качестве независимого инструмента формирования и отображения OLAP-кубов предложено использовать автоматизированные рабочие места (АРМ), которые обладают специальным интерфейсом, направленным на работу с уже готовыми аналитическими моделями. АРМ позволяют, при необходимости, получать независимый доступ к готовым витринам данных и использовать их для аналитической поддержки принятия управленческих решений.

Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для оперативного тематического геомоделирования в информационно-аналитических системах на основе интеграции функциональных элементов геоинформационной технологии с технологией оперативной аналитической обработки данных OLAP. Разработаны алгоритмы динамического формирования картографических слоев на основе атрибутивной информации источника данных OLAP-системы и пространственной информации топографических слоев ГИС. Динамически сформированные слои могут применяться в качестве тематических слоев для геомоделирования результатов OLAP-анализа. Инструментарий динамического формирования картографический слоев впервые разработан для средств геомоделирования, интегрированных с OLAP-системами и экспертными системами.

Средства оперативного геомоделирования, встроены в информационно-аналитические системы «Аналитик» и «СтатЭкспресс». С применением средств геомоделирования системы «Аналитик» решены важные прикладные задачи здравоохранения: анализ сети медицинских учреждений, планирование ее реорганизации, анализ зон медицинского обслуживания.

На основе интеграции OLAP и ГИС технологий получила свое развитие технология оперативного геоинформационного моделирования. Выполнена реализация методов динамического формирования картографических слоев на основе OLAP. Алгоритмы и программное обеспечение для оперативного геоинформационного моделирования применены в задачах поддержки организационного управления.

Разработаны методы и средства применения технологии OLAP в задачах информационной поддержки предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Создан комплекс аналитических моделей для оценки рисков промышленных и бытовых пожаров в сельских районах Красноярского края. Предложены методики расчета и визуализации пожарных рисков различного характера, вычисляемых как на основе показателей опасности (статистических данные о произошедших пожарах), так и показателей уязвимости (географических характеристик территорий, состояния, оснащенности противопожарных формирований и др.).

Разработан программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в кризисных ситуациях. Система интегрирует технологии геоинформационных, экспертных систем, баз данных, оперативной аналитической обработки данных для решения аналитических и оперативных задач. Инструментальные средства представляют собой расширяемый модульный программный комплекс, позволяющий использовать различные программные модули и информационные ресурсы в зависимости от задачи. Ядро программного комплекса представляет экспертная система, основанная на ситуационном подходе, с фреймовой моделью представления знаний. В момент чрезвычайной ситуации она формирует необходимые решения по управлению в ЧС, обращаясь к другим модулям системы. Необходимая информация извлекается из баз данных и баз знаний, последствия ЧС моделируются подсистемой динамического геоинформационного моделирования, с применением расчетных методик. Рекомендации по действиям в ЧС формируются на основе баз знаний. Процесс вывода представляет собой эстафету присоединенных процедур, которые автоматически вызывают необходимые модули системы. Средства геоинформационного моделирования позволяют оперативно отображать обстановку на картах местности. Для оперативной аналитической обработки многомерных данных используется технология OLAP. Средства OLAP обеспечивают высокую скорость работы с данными при выполнении аналитических операций, наглядное представление результатов и оперативное построение отчетов.

С применением разработанных оригинальных средств созданы и внедрены прикладные системы по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Разработана экспертная геоинформационная система поддержки принятия решений при паводковых ЧС. Разработана информационно-аналитическая экспертная система поддержки принятия решений по противопожарным мероприятиям. Система производит оперативный анализ и расчет рисков. Разработана экспертная геоинформационная система для поддержки принятия решений по предупреждению и ликвидации техногенных аварий на потенциально опасных объектах.

С использованием технологии объединения баз данных, заложенной в сетевые протоколы Z39.50, создан ряд распределённых информационных ресурсов и сводных каталогов библиотек. При этом использовались возможности сервера ZooPARK, позволяющего объединить различные базы данных (в том числе находящиеся на разных серверах) в логические группы и выполнять операции с этими логическими группами как с физическими базами данных. Эта технология позволила включить все информационные ресурсы города Красноярска, публикуемые с помощью Z39.50, в единое информационное пространство. Объединены каталоги крупнейших вузов Красноярска - СФУ, СибГТУ, СибГАУ, ГУНБ Красноярского края, пяти библиотек КНЦ СО РАН, СибНИИ охотничьего хозяйства, а также каталоги московской, новосибирской, томской и омской корпоративных библиотечных систем. Ведутся работы по обеспечению доступа к зарубежным и отечественным полнотекстовым ресурсам. Институт вычислительного моделирования СО РАН вступил в Консорциум НЭИКОН, который работает с Научной электронной библиотекой (НЭБ) (e-library). Выполнены работы по преобразованию распределённых информационных ресурсов в полнотекстовые базы данных. Для формирования полнотекстовых ресурсов использовалась база данных ИРБИС, что позволило выполнить контент-анализ файлов полных текстов и создать поисковые словари. Для повышения эффективности поиска выполнена экспертная обработка словарей.

В ходе исследования проблем комплексной информационной безопасности в научно-образовательных компьютерных сетях выполнен анализ наиболее часто встречаемых на практике угроз, приводящих к потере информации, либо отказам функционирования сети в целом, либо отдельных сервисов. Определены пути их предотвращения.

Разработано методическое и информационное обеспечение для интеграции ГИС-платформы MapGuide Open Source с системой управления Web-контентом «1С-Битрикс: Управление сайтом». Интеграция упомянутых технологических платформ в единую систему выполнена на основе специально разработанного модуля Битрикс. В модуль вошли классы для работы с сервером MapGuide, различные функции получения, фильтрации данных и шаблоны визуализации каталогов карт, слоёв и другой картографической информации. Усовершенствована и пред­ставлена в виде стандартной компоненты визуального редактора системы Битрикс программа для просмотра карт и картографических приложений. Реализован конструктор карт на платформе PHP/AJAX, позволяющий составить свою собственную карту из каталога слоев, хранящегося на сервере.

Разработана модель каталога информационных ресурсов распределенного геоинформационного Интернет-портала, предусматривающая многопользовательский доступ с аутентификацией, многоуровневую систему разделения прав доступа. Каталог ресурсов содержит метаописания всех информационных ресурсов распределенного портала, расположенных как на локальном узле, так и на других узлах. Основной его функцией является организация поиска информационных ресурсов. Данные размещаются в каталоге в виде объектов различных типов – организация, сервер, человек, информационный ресурс, и др. Тип объекта определяет поведение объекта в каталоге и его набор атрибутов.

Реализованы новые информационные модели распределенного хранилища пространственных данных и метаданных, средства для построения графического интерфейса пользователя для картографических Web-прило­жений.

Разработаны программные средства для анализа пространственных данных в среде геоинформационного Web-портала с использованием технологий WMS и программного обеспечения MapServer и MapGuide Open Source, содержащие средства для хранения цифровых картографических материалов, растровых снимков территории, сервисы для навигации по распределенному каталогу пространственных данных, сервисы для пространственного анализа и математического моделирования на унифицированных цифровых картах. Основной особенностью каталога пространственных данных является возможность использования различных форматов пространственных данных и предоставления пользователю доступа к этим данным с помощью современных стандартов и технологий. Доступ к пространственным данным организован с помощью различных Web-приложений и с использованием технологий WMS и WFS.

Разработаны теоретические основы синтеза непараметрических систем распознавания образов и восстановления стохастических зависимостей, обеспечивающих использование технологии параллельных вычислений в условиях обучающих выборок большого объёма. Разработан новый класс многоуровневых непараметрических систем обработки информации, основанный на её декомпозиции по объёму и размерности. Применение многоуровневых непараметрических систем обеспечивает высокую вычислительную эффективность решения задач распознавания образов и восстановления стохастических зависимостей в условиях обучающих выборок большой размерности и объёма за счёт использования технологии параллельных вычислений и принципов коллективного оценивания.

Исследованы асимптотические свойства статистических оценок показателей эффективности изучаемого нового класса систем, что позволило формализовать проблему выбора их рациональной структуры и её параметров в зависимости от условий классификации, разработать статистические критерии оценивания областей компетентности рассматриваемых систем.

Для исследования динамики концентрации хлорофилла в Мировом океане построена модель статистической развивающейся системы. Это позволяет сравнивать влияние внешних воздействий на концентрацию хлорофилла в разных регионах. Выделено 5 состояний, соответствующих квантилям распределения в каждой точке и построены кривые динамики площадей, занимаемых каждым квантилем. Полученные показатели можно использовать, как интегральный критерий стабильности – нестабильности системы "океан – атмосфера". Увеличение доли площадей крайних квантилей и уменьшение доли средней квантили свидетельствует о дестабилизации системы.

Выполнено исследование динамики системы «океан – атмосфера» с помощью методов статистической оценки многолетних рядов спутниковых (AVHRR, SeaWiFS, MODIS) и наземных данных за период с 1985 по 2008 годы, основанный на теории развивающихся систем. Динамика климатических и экологических показателей для каждого элемента пространства определяется одновременно действием локальных и глобальных воздействий.

Основные (важнейшие) результаты

Адаптация методов главных графов и многообразий для применения в задачах системной биологии

Исполнители:

Горбань А.Н., д.ф.-м.н., г.н.с.;

Зиновьев А.Ю., к.ф.-м.н., м.н.с.

Методы главных графов и многообразий адаптированы для применения в задачах системной биологии. По сравнению с методом главных компонент (эмпирических собственных функций) новые методы дают существенный выигрыш в размерности и позволяют формулировать нелинейные галеркинские приближения малой размерности. На рисунке показано сравнение нелинейных методов с методом эмпирических собственных функции для различных моделей системы NFkB (точность нелинейных методов в этом примере не менее 99%).

а) Модели



М(39 в-в, 67 реакт., 88 парам)



М(14, 27, 29)



М(6, 9, 13)

б) Размерности



в) Нелинейное галеркинское приближение (в пространстве трех главных компонент)



Рис. 18

Методическое, алгоритмическое и программное обеспечение для комплексной поддержки территориального управления

Исполнители:

Ноженкова Л.Ф., д.т.н., зам. дир.;

Пенькова Т.Г., к.т.н., н.с.;

Бадмаева К.В., к.т.н., н.с.;

Исаева О.С., к.т.н., н.с.;

Жучков Д.В., к.т.н., н.с.;

Ноженков А.И., к.т.н., н.с.;

Евсюков А.А., к.т.н., с.н.с.;

Исаев С.В., к.т.н., с.н.с.;

Кононов Д.Д., н.с.

Созданы оригинальные модели, методы, алгоритмы и инструментальные средства, позволяющие в короткий срок создавать интегрированные прикладные системы для комплексной поддержки территориального управления.

Разработана методика комплексной поддержки процессов подготовки, формирования и реализации решений в территориальном управлении. Предложен индексный метод оценивания уровня благополучия, позволяющий получать комплексные оценки, учитывающие различные аспекты состояния исследуемой территории. Создана когнитивная модель формирования управляющих рекомендаций. Разработан метод генерации текстовых документов в процессе подготовки и реализации управленческих решений, основанный на интеграции технологических средств управления документами со средствами OLAP-моделирования и управления данными, что позволяет создавать документы сложной структуры, не требуя программирования и обеспечивая работу с данными в терминах предметной области.

Исследованы и систематизированы технологические особенности и проблемы, возникающие при многомерной обработке данных в технологии OLAP. Предложены алгоритмы, позволяющие оптимизировать вычислительные затраты, снизить затраты на разработку и повысить достоверность получаемых результатов.

Разработана методика адаптивного управления процессом проектирования и развития хранилищ данных. Результатом применения методики является хранилище, удовлетворяющее критерию задачи управления. Применение принципа адаптации позволяет создавать эффект приспособления хранилища к изменяющимся условиям эксплуатации и учитывать требования пользователей. Разработан оригинальный метод построения модели общей стоимости материализации представлений на основе информации о предметной области.

Разработаны методы и средства для синхронизации рабочей базы с базой данных сайта в зависимости от функционального назначения и объема данных. Универсальность и кроссплатформенность разработанных подходов позволяют с минимальными изменениями производить адаптацию системы и ее миграцию на совместимые программные платформы.

Разработаны инструментальные программные средства, позволяющие создавать прикладные системы на основе интеграции информационных технологий: оперативной аналитической обработки данных и OLAP-моделирования, оперативного геоинформационного моделирования, адаптивного управления процессами проектирования и развития хранилищ данных, автоматической генерации документационного обеспечения управленческих задач, мониторинга процессов управления.

Создана унифицированная информационная среда для поддержки процессов планирования, размещения и контроля расходования бюджетных средств в рамках процедур организации муниципальных и государственных заказов. На основе обобщенной модели унифицированного справочника разработаны единые механизмы хранения и доступа к данным, средства обмена, контроля информации, мониторинга бизнес-процессов, правила управления правами доступа. Созданная унифицированная информационная среда позволила автоматизировать деятельность специалистов, участвующих в размещении заказов на всех этапах его реализации.



Рис. 19.

Программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в кризисных ситуациях

Исполнители:

Ноженкова Л.Ф., д.т.н., зам. дир.;

Ничепорчук В.В., к.т.н., н.с.;

Исаев С.В., к.т.н., с.н.с.;

Евсюков А.А., к.т.н., с.н.с.;

Морозов Р.В., н.с.;

Марков А.А., н.с.

Разработан программный комплекс ЭСПЛА-ПРО для оперативной поддержки управления в кризисных ситуациях. Система интегрирует технологии геоинформационных, экспертных систем, баз данных, оперативной аналитической обработки данных (Рис. 20). Инструментальные средства позволяют использовать различные программные модули и информационные ресурсы в зависимости от задачи. Ядро программного комплекса представляет экспертная система, основанная на ситуационном подходе, с фреймовой моделью представления знаний. В момент чрезвычайной ситуации она формирует необходимые решения по управлению в ЧС, обращаясь к другим модулям системы. Необходимая информация извлекается из баз данных и баз знаний, последствия ЧС моделируются подсистемой динамического геоинформационного моделирования, с применением расчетных методик. Рекомендации по действиям в ЧС формируются на основе баз знаний. Средства геоинформационного моделирования позволяют оперативно отображать обстановку на картах местности (Рис. 21). Для оперативной аналитической обработки многомерных данных используется технология OLAP, которая обеспечивае высокую скорость работы с данными при выполнении аналитических операций, наглядное представление результатов и оперативное построение отчетов. С применением разработанных оригинальных средств созданы и внедрены прикладные системы по предупреждению чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.



Рис. 20. Интеграция информационных технологий в системе ЭСПЛА-ПРО




Рис. 21. Поддержка принятия решений в кризисных ситуациях