close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

"Методика и средства интеллектного контроля и преобразования данных для вычислительного эксперимента в исследованиях энергетики"

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Курганская Ольга Викторовна Шифр научной специальности: 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации Шифр диссертационного совета: Д 218.004.01 Название организации: Иркутский государственный университет путей сообщ
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 руководитель:
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
2
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
1
Энергетическая безопасность. Термины и определения/ отв.ред. Н.И. Воропай. – М.:ИАЦ Энергия, 2005,
60 с.
3
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 еѐ существования2
в 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 еѐ регионов.
2
Термин «теорема» здесь и далее обозначает выводимую (доказуемую) формулу формального исчисления
(см. напр. Ершов Ю.Л., Палютин Е.А. Математическая логика. – М.: Наука, 1979. – 320 с.)
4
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:
3
Термин «интеллектный» 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.)
5
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 еѐ регионов, отличающейся от существующей
применением средств интеллектного контроля и преобразования
данных.
Практическая значимость полученных результатов. Результаты
исследования применяются в исследованиях энергетической безопасности
России и еѐ 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.
6
«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), №10-07-00264
(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.
Личный вклад. Все положения, составляющие научную новизну и
выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
трѐх глав, заключения, библиографии и трѐх приложений. Общий объѐм
диссертации – 146 страниц. Библиография включает 95 наименований.
7
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрываются цели работы, дается еѐ 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 еѐ регионов с
позиций энергетической безопасности и взаимосвязь решаемых при этом
задач4. Анализируются технологии исследований ЭБ России и еѐ регионов,
проводимые при этом вычислительные эксперименты и средства автоматизации вычислительных экспериментов. В частности, рассматриваются
технология исследования энергетической безопасности России и еѐ 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 еѐ 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 СЭИ–ИСЭМ / отв. ред. Н.И.
Воропай. – Новосибирск: Наука, 2010. – 686 с.
5
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.
6
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.
8
4
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 задан7
Васильев С.Н. и др. Интеллектное управление динамическими системами. – М.: Физматлит, 2000. – 352 с.
9
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.
Логический 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 по8
Extensible Markup Language (XML). URL: http://www.w3.org/XML/ (дата обращения 25.10.2011).
10
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.
11
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 (S D , D)
процесса контроля соответствия XML-документа D его схеме S D называется теоремой достоверности. Теорема достоверности имеет следующую
структуру:
(( i Si ) ( j D j )) ( B0 V (a)) ,
где
формулы Si задают требования к отношениям смежности элементов
контролируемого документа, представленные в виде схемы S D , и
строятся в процессе еѐ обхода;
формулы D j задают правила обработки элементов XML-документа D и
строятся в процессе обхода этого документа,
формула B0 ( P(a) ND) , где формула ND задает связи между элементами документа D , а атомы P(a ), V (a ) задают состояние корневого
элемента a документа D . Формула B0 строится в процессе обхода документа D .
Декларативное представление G(S D , S M , D,T ) процесса преобразования XML-документа D со схемой S D в документ, удовлетворяющий условиям, заданным в схеме SM , называется теоремой синтеза. Структура теоремы
синтеза
G(S D , S M , 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 осо9
Document Object Model (DOM). Level 1 Specification. URL: http://www.w3.org/TR/1998/REC-DOM-Level-119981001/ (дата обращения 25.02.2011)
12
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 Si . С элементами формул Si связываются
нелогические элементы – команды запуска контролирующих подпрограмм.
На втором этапе в ходе обработки документа D строятся формулы D j . На
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.
13
10
третьем этапе в ходе обхода документа D строится формула ND . Полное
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(S D , S M , D,T ) состоит из
трех этапов. Первые два этапа аналогичны первым этапам построения теоремы достоверности. На третьем этапе при обходе документа D строится формула ND . Ее подформулы описывают связи между элементами преобразуемого 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
11
Ахо А., Сети Р., Ульман Дж.. Компиляторы. Принципы, технологии, инструменты. – М.: Издательство
Вильямс, 2003. – 654 с.
14
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 еѐ
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.
15
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 XMLсхем 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 форматноЛексический 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
еѐ 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.
16
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.
17
Таблица 3. Основные элементы технологии интеллектного
преобразования данных в ходе вычислительного
эксперимента в исследованиях ЭБ
№ Технологический элеИнструментальные
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 XMLКомпонент логическо- Протокол контроля
прототипа
го вывода, синтеза и
XML-прототип с
исполнения сценариев исходными данными
4. Преобразование исходКомпонент логическо- Файл математиченых данных в математиго 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 резульКомпонент форматно- Файл с результататов расчета в XMLуправляемого разбора тами расчета в
формат
текстовых данных
формате XML.
7. Преобразование результа- Компонент логическо- XML-прототип с
тов расчета в XMLго 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 содерисполнения сценариев формате средства
жательной интерпретации
содержательной
интерпретации
10. Содержательная интерСредство содержапретация результатов рас- тельной интерпретачета
ции
18
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 еѐ 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 еѐ регионов, основанные на
применении средств интеллектного преобразования и контроля данных.
Результаты исследования применяются в исследованиях ЭБ России и
еѐ 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.
19
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ12
1. 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 “Cоmputer
Science and Information Technologies”, 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.
12
Жирным шрифтом выделены статьи из журналов, рекомендуемых ВАК для опубликования результатов диссертаций.
20
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
72
Размер файла
572 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа