авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Методика построения и разработка многоагентного программного комплекса для исследований проблемы энергетической безопасности

На правах рукописи

Фартышев Денис Александрович

Методика построения и разработка

многоагентного программного комплекса для исследований

проблемы энергетической безопасности

Специальность 05.13.18 – Математическое

моделирование, численные методы и комплексы

программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск – 2009

Работа выполнена в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской Академии Наук (СО РАН)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Массель Людмила Васильевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Колосок Ирина Николаевна кандидат технических наук, доцент Дорофеев Андрей Сергеевич

Ведущая организация:

Институт Вычислительного Моделирования СО РАН

Защита диссертации состоится «09» февраля 2010 г. в 10-00 на заседании диссертационного совета Д.003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул.

Лермонтова, 130, к. 355.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск, ул.

Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря Диссертационного совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Автореферат разослан «30» декабря 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, Доктор технических наук, профессор А.М. Клер Актуальность выполненной работы определяется двумя основными факторами. Первым из них является значимость проблемы исследований энергетической безопасности, которая определяется, в свою очередь, ключевой ролью топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в экономике страны и ситуацией, сложившейся в ТЭК и в экономической и социальной жизни страны к настоящему времени. Энергетическая безопасность (ЭБ) с учетом проникновения энергетики во все сферы жизнедеятельности современного общества является одной из важнейших составляющих обеспечения экономической и национальной безопасности, поэтому для принятия решений по обеспечению ЭБ страны необходимо иметь способы оценки текущего уровня ЭБ, а также способы определения мероприятий для поддержания уровня ЭБ на приемлемом уровне. Методологические основы исследований проблемы ЭБ заложены в работах Н.И. Воропая, С.М.

Клименко, Л.Д. Криворуцкого, Ю.Н. Руденко, Г.Б. Славина, С.М. Сендерова, Н.И. Пятковой, М.Б. Чельцова и др.

Традиционно для исследований проблемы ЭБ в ИСЭМ СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и информационные системы.

Постановки задач для автоматизации этих исследований формулировались в 60–70-х годах ХХ века работами ученых Л.А. Мелентьева, А.А. Макарова, А.П. Меренкова, Ю.Д. Кононова, Л.Д. Криворуцкого, Б.Г. Санеева и др.

Были реализованы версии программного обеспечения под руководством Г.Н. Волошина, Г.Н. Антонова, Л.В. Массель и др.

Второй фактор связан с темпами развития информационных технологий (ИТ) и необходимостью повышения уровня интеллектуализации инструментальных средств исследований энергетики, а также необходимостью создания такого программного обеспечения, которое можно было бы легко модифицировать и адаптировать к изменяющимся условиям исследований, и которое отвечало бы требованиям современных ИТ. В области создания программного обеспечения это – концепция многоагентных систем, объектно-ориентированный подход к созданию ПО, распределенные вычисления. Данные вопросы рассмотрены в зарубежных работах С. Рассела и П. Норвига, Г. Буча, И. Якобсона, Дж. Румбау, Э. Гаммы, Э. Дейкстры и в работах российских ученых В.И. Тарасова, В.И. Городецкого и др. В общеметодологическом плане особый интерес представляют работы Ф.

Брукса, М. Фаулера, В.И. Тарасова и др.

Объектом исследования является информационная технология исследований проблемы энергетической безопасности на уровне ТЭК страны, которая рассматривается как совокупность технологии проведения содержательных исследований, технологии организации вычислительного эксперимента и технологии разработки программных инструментальных средств.

Предмет исследования – методы создания современного программного обеспечения (ПО);

методы создания ИТ-инфраструктуры научных исследований в энергетике.

Целью работы является разработка методического подхода к построению многоагентных программных комплексов (ПК) для исследований в энергетике, на примере ПК для исследований проблемы энергетической безопасности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Анализ класса задач и специфики исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, технологии проведения вычислительного эксперимента.

2. Анализ специфики разработки ПО для исследований проблемы ЭБ и современных информационных технологий.

3. Разработка методики построения многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике.

4. Проектирование и реализация многоагентного программного комплекса «ИНТЭК-М» для поддержки исследований проблемы энергетической безопасности.

5. Разработка технологии решения содержательных задач с использованием разработанного ПК «ИНТЭК-М».



Методами и средствами исследования являются: методические основы построения информационных технологий в исследованиях энергетики, методы системного и прикладного программирования, методы объектного подхода (анализ, проектирование, программирование), методы проектирования баз данных и информационных систем.

Новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые для разработки программного обеспечения нового поколения исследований проблемы энергетической безопасности России предлагается использование многоагентных технологий.

2. Разработан методический подход к построению многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике, включающий:

• методику построения и разработки многоагентных программных комплексов, ориентированную на создание программного обеспечения нового поколения для исследований в энергетике;

• сервис-ориентированную архитектуру многоагентного программного комплекса, использование которой позволяет рассматривать отдельные агенты как сервисы, из которых строится приложение;

• модели данных и алгоритмы обработки данных, являющиеся основой универсальных системных программных компонентов, которые могут быть использованы при построении многоагентных ПК для исследований в энергетике.

3. Предложена технология проведения вычислительного эксперимента (ВЭ) в исследованиях проблемы ЭБ, отличительной особенностью которой является использование интеллектуальных агентов, позволяющих:

• оказать помощь экспертам-энергетикам при формировании стратегии проведения вычислительного эксперимента;

• создавать и корректировать используемые в исследованиях информационные модели посредством интегрированного дружественного интерфейса пользователя;

• уменьшить число пользовательских действий при корректировках информационных моделей за счет создания и использования базы прецедентов чрезвычайных ситуаций, которые автоматически сопоставляются вариантам вносимых численных корректировок;

• предоставить дополнительные возможности представления и сравнения полученных результатов расчетов (таблицы, графики, многомерный анализ).

Практическая значимость. С применением предложенной методики в соответствии с разработанной архитектурой реализован ПК «ИНТЭК-М»

для исследований проблемы ЭБ, основными возможностями которого являются:

• наглядное представление информационных моделей ТЭК и их удобное редактирование;

• возможность описания и хранения прецедентов чрезвычайных ситуаций и превентивных мероприятий, а также их преобразование в численные корректировки информационных моделей;

• многопоточный расчет неограниченного количества вариантов информационных моделей;

• отображение результатов расчета в виде балансовых таблиц и в графическом виде с возможностью их гибкой настройки;

• наглядное сравнение результатов расчета неограниченного количества вариантов информационных моделей с использованием многомерного анализа данных.

Результаты работы применены:

1) при выполнении проекта № 4.3.1.9 «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 поддержки принятия решений» (2007 – 2009 гг.);

2) при выполнении проекта №2.29 «Интеллектуальные информационные технологии для исследования проблемы энергетической безопасности»

в рамках Программы Президиума РАН №2 «Интеллектуальные информационные технологии, математическое моделирование, системный анализ и автоматизация» (2009 г.);

3) при выполнении работ по грантам: РФФИ № 07-07-00265а, РФФИ № 08-07-00172, РГНФ № 07-02-12112в (2007 – 2009 гг.).

Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в т.ч. 3 – в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК по специальности [1-3].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 141 наименование и 4 приложения общим объемом 184 страниц, основной текст изложен на 168 страницах, включает 9 таблиц и 71 рисунок.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель исследования, указывается научная новизна и практическая значимость полученных результатов, также приводятся структура и краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрена проблема ЭБ России и ее регионов, проанализированы специфика и сложность создания программного обеспечения для исследований энергетики, выполнена постановка задачи.

Под исследованиями проблемы ЭБ понимаются исследования направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ. Традиционно при этом решается общая задача линейного программирования. Матрицу условий для этой задачи в дальнейшем будем называть информационной моделью.

В первом разделе главы раскрыта суть проблемы ЭБ России и ее регионов, дана характеристика угроз ЭБ. Рассмотрены основные задачи и цели исследования проблемы обеспечения ЭБ и выделены основные направления ее исследования:

• оценка текущего состояния и перспектив развития ТЭК с позиций ЭБ (мониторинг, оценка угроз, выявление и прогноз узких мест и т.д.);





• обоснование мер организационного, структурно-технологического и финансово–экономического характера по обеспечению ЭБ;

• разработка методов и средств обоснования мероприятий по обеспечению ЭБ (математические модели, информационная технология).

Также рассмотрена существующая двухуровневая технология исследований проблемы ЭБ, позволяющая исследовать соответствующие особенности работы систем энергетики и ТЭК на системном уровне. При этом верхний уровень указанной технологии представляют модели для проведения исследований по оценки состояния ТЭК при возможных возмущениях и их влияния на условия топливо- и энергоснабжения потребителей с позиции обеспечения ЭБ. Нижний уровень иерархии представляют отраслевые модели, позволяющие оценить потенциальные возможности федеральных систем нефте- и нефтепродуктоснабжения (ЕСН) и газоснабжения (ЕСГ) по удовлетворению потребителей соответствующими энергоресурсами как в нормальных условиях функционирования, так и в условиях чрезвычайных ситуаций.

В главе описана балансовая экономико-математическая модель ТЭК России, используемая при исследованиях проблемы ЭБ. В содержательном (энергоэкономическом) смысле модель базируется на традиционной территориально-производственной модели ТЭК с блоками электро- и теплоэнергетики, газо- и углеснабжения, а также мазутоснабжения.

Представлен исторический обзор инструментария для исследования развития ТЭК России и ее регионов, отмечена специфика проводимых исследований, которая определяет сложность создания программного обеспечения для поддержки этих исследований:

• сложность математических моделей, необходимых для описания территориально-производственных связей объектов, которые используются в исследованиях ТЭК с позиций ЭБ;

• большая размерность математических моделей (несколько тысяч переменных, несколько сотен уравнений);

• многовариантный характер проводимых исследований.

Во втором разделе главы описывается разработанная в ИСЭМ СО РАН ИТ-инфраструктура научных исследований, которая является базой для интеграции различных аппаратных, программных и информационных ресурсов.

В третьем разделе главы приводится обзор многоагентных технологий: рассмотрено понятие агентов, их типы и свойства;

понятие многоагентных систем;

приведены языки программирования агентов и предъявляемые к ним требования;

а также проанализированы стандартные архитектуры многоагентных систем и технологии их реализации.

Глава завершается выводами и постановкой задачи диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке методического подхода к построению многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике, на примере ПК для исследований проблемы энергетической безопасности.

В предыдущей главе показано, что в предметной области (исследования направлений развития ТЭК), а также в научных направлениях информатики нет готовых решений проблемы разработки информационных технологий для решения прикладных задач исследований в энергетике. Для решения этой проблемы требуется разработка оригинального методического подхода, поскольку уникальность объекта исследований и сложность используемых методов, моделей и инструментария не позволяют применить подходы, использующиеся для реализации конкретных информационных технологий в других предметных областях.

Реализация в ИСЭМ СО РАН ИТ-инфраструктуры научных исследований обеспечивает предпосылки использования таких современных и открытых технологий, как Web-сервисы.

Одной из основных идей программной поддержки исследований развития ТЭК является повышение уровня интеллектуализации инструментальных средств. Использование технологии Web-сервисов само по себе не может оказать влияния на повышение уровня интеллектуализации инструментальных средств для поддержки исследований, поэтому автором предложено использовать многоагентные технологии, которые возникли на пересечении теории систем и искусственного интеллекта и в последнее время получают широкое распространение.

Во втором разделе главы описывается авторская методика построения и разработки многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике, которая совмещает агентную концепцию и объектно ориентированный подход к разработке программного обеспечения. Методика состоит из следующих этапов:

1. Формулирование назначения (цели разработки).

2. Составление вариантов использования (прецеденты – use cases) ПК.

3. Определение состава, а также основных и вспомогательных функций агентов.

4. Определение типа и основных свойств среды функционирования агентов.

5. Уточнение состава агентов и распределение функций между агентами.

Выбор архитектур агентов.

6. Выделение базовых взаимосвязей (отношений) между агентами.

7. Определение возможных действий (операций) агентов.

8. Построение архитектуры многоагентного программного комплекса.

9. Тестирование разработанного многоагентного программного комплекса.

10.Интеграция многоагентного ПК в ИТ-инфраструктуру исследований в энергетике.

На рисунке 1 данная методика представлена в виде совокупности процессов функциональной деятельности в нотации IDEF0. Такое представление позволяет выполнять декомпозицию отдельных этапов до требуемого уровня детальности. Согласно нотации IDEF01, на приведенной схеме стрелки слева соответствуют входной информации, справа – выходной, сверху показаны управляющие воздействия, снизу – механизмы реализации.

Одной из наиболее важных особенностей IDEF0 является постепенное введение все больших уровней детализации по мере создания диаграмм, отображающих модель. Таким образом, каждый из трех обобщенных этапов Методология функционального моделирования IDEF0: Руководящий документ. / ИПК Издательство стандартов, 2000.

вышеописанной методики (рис. 1) может быть декомпозирован на отдельные процессы.

Рис. 1. Декомпозиция первого уровня методики построения и разработки многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике.

Сервис-ориентированная архитектура является ключевой технологией реализации многоагентного ПК. Представление отдельных агентов в виде сервисов дает определенные преимущества, например, использование «взаимопомощи», параллелизм, многократное использование агентов и т.д.

Автором предложена концептуальная модель многоагентного ПК (рис. 2), в которой выделены репозитарий знаний и четыре уровня системы:

взаимодействие с пользователем, поиск и сбор данных, классификация и первичное преобразование данных, а также непосредственный анализ данных. Количество агентов на каждом уровне ограничено ресурсами и конфигурацией системы. Концептуальная модель предложена в упрощенном виде, так как является типовой и не связана с конкретной предметной областью.

Рис. 2. Концептуальная модель многоагентного программного комплекса.

На основе предложенной концептуальной модели спроектирована сервис-ориентированная архитектура многоагентного ПК. С точки зрения физической реализации архитектуру ПК можно представить в виде распределенной архитектуры «клиент-сервер», в которой центральным элементом является сервер приложений (рис. 3). Таким образом, с точки зрения реализации, агентом является определенное приложение, состоящее из клиентской и серверной частей.

Основной задачей клиентской части агента является обеспечение дружественного пользовательского интерфейса, посредством которого исследователь получает доступ ко всем функциональным возможностям агента, реализованным, главным образом, в его серверном компоненте.

Доступ к данным и знаниям осуществляется посредством связи агентов с репозитарием по протоколу Simple Object Access Protocol (SOAP), либо с использованием языка Structured Query Language (SQL) (рис. 3).

Рис. 3. Архитектура многоагентного программного комплекса.

Связь агентов друг с другом осуществляется также по протоколу SOAP, однако взаимодействие клиентской и серверной части агента может происходить по-разному: например, с помощью удаленного вызова процедур через Hyper-Text Transfer Protocol (HTTP) c использованием XML (XML Remote Procedure Call). Различия в реализации и процедуре обмена не оказывают существенного влияния на его суть.

На основе разработанной методики автором было выполнено проектирование многоагентного программного комплекса «ИНТЭК-М» для исследований проблемы ЭБ, включающее следующие этапы:

1. Разработка и анализ требований, предъявляемых к ПК. Все требования были сгруппированы в следующие категории:

• общие требования (распределенность, модульность, кроссплатформенность, масштабируемость и т.д.);

• требования, обусловленные спецификой предметной области (возможность управления вычислительным экспериментом, возможность включения новых методов и моделей в функциональную схему исследований и т.д.);

• функциональные требования (требования к реализации конкретных функции);

• технические требования (требования к установленному программному обеспечению, требования к защите от ошибочных действий персонала и т.д.).

2. Выявление основных агентов и их функций. Выделены следующие агенты:

• Агент задания чрезвычайных ситуаций, основная цель которого – автоматическое сопоставление вербальных формулировок сценариев чрезвычайных ситуаций их числовым интерпретациям в модели.

• Агент формирования сценариев развития ТЭК, которого можно рассматривать как некий конструктор ситуаций, позволяющий экспертам-энергетикам моделировать, и в дальнейшем анализировать различные ситуации угроз ЭБ.

• Агент формирования информационных моделей и внесения корректировок, необходимый для удобной работы с информационными моделями ТЭК, включая их создание с «чистого листа» посредством использования эффективного интегрированного пользовательского интерфейса.

• Агент-вычислитель – реализованный сторонними разработчиками программный продукт для решения задачи линейного программирования.

• Агент формирования отчетов, основной задачей которого является построение различных табличных отчетов, содержащих интересующие исследователя показатели результатов вычислительного эксперимента. Агент имеет возможность как агрегированного анализа расчетов, так и более детального, а также наглядного сравнения нескольких вариантов расчетов.

3. Определение типа и основных свойств среды. Средой функционирования агентов является локальная сеть института. Для моделирования взаимодействия агентов можно использовать несколько механизмов, например, методологию функционального моделирования, предназначенную для формализации и описания бизнес-процессов – IDEF02, или диаграмму взаимодействия UML3. Независимо от использования конкретного способа моделирования взаимодействия агентов, необходимо выделить несколько ключевых элементов:

входные воздействия, выходные воздействия и управляющие сигналы.

Взаимодействие агентов заключается в обмене информацией, необходимой для выполнения собственных задач. Получение или Методология функционального моделирования IDEF0: Руководящий документ. / ИПК Издательство стандартов, 2000.

De Champeaux D., Lea D., Faure P. Object-oriented system development. Addison-Wesley, 1993. 532 p.

предоставление такой информации можно рассматривать как системные события. Поскольку события служат для того, чтобы агенты могли вызывать друг друга и обмениваться информацией, то для каждого агента можно определить входные и выходные события.

Входным событием для агента является факт получения агентом информации, необходимой для начала работы, а выходным – формирование агентом результатов своей работы.

4. Определение возможных действий агентов и выбор их архитектур.

Проектирование каждого отдельного агента может выполняться с использованием какой-либо существующей методики объектно ориентированного проектирования4.

Для представления знаний в многоагентном программном комплексе для исследований проблемы ЭБ выбраны онтологии5. Благодаря использованию онтологий, отделенных от программного кода системы, пополнение которых открыто и доступно как для программистов, так и для экспертов, не имеющих навыков программирования, агенты способны быстро адаптироваться к изменениям среды. Таким образом, система способна накапливать, обрабатывать и применять знания о предметной области. Онтология определяет знания агента о какой-то конкретной предметной области – чем точнее составлена онтология, чем более корректно обозначены связи, тем полнее агент представляет предметную область, для которой он существует.

На рисунке 4 показан пример онтологии, на рисунке 5 представлен фрагмент XML-документа – описания онтологии.

Рис. 4. Пример онтологии в графическом представлении.

Meyer B. Object-oriented software construction. N. Y., NY: Prentice-Hall, 1988.1296 p.

Gruber T.A Translation Approach to Portable Ontology Specifications // Know-ledge Acquisition, 5(2): 1993. p. 199–220.

concept-list concept id="point_1" label="Поиск"/ concept id="point_2" label="Статьи"/ concept id="point_3" label="Пароль"/ concept id="point_4" label="Россия"/ concept id="point_5" label="Фраза"/ concept id="point_6" label="База данных"/ concept id="point_7" label="Энергетическая безопасность"/ concept id="point_8" label="Источник"/ concept id="point_9" label="Логин"/ concept id="point_10" label="Задача"/ concept id="point_11" label="Адрес"/ /concept-list Рис. 5. Фрагмент XML-документа – описания онтологии.

Кроме того, в главе обосновывается необходимость стандартизации формата данных, представляющих экономико-математическую модель ТЭК, вследствие следующих недостатков существующих форматов представления:

• Сложность составления и поддержания моделей большой размерности, так как задача перестает быть наглядной для исследователя.

• Необходимость учета пустого пространства в файле, т.е.

определенные объявления ограничений, переменных и прочего должны быть размещены в определенных частях файла и с определенными промежутками (отступами) между ними.

• Сложность разбора и записи моделей стандартными программными средствами, поскольку обычно файл, содержащий модель является плоским текстовым файлом.

• Неоднозначность определения различных типов данных и математических выражений.

В связи с ориентацией на применение Service-Oriented Architecture (SOA) возникла проблема интеграции по данным – трудности при обмене данными с другими программами, связанные с применением различных кодировок, типов данных и различных форматов их хранения. Решить эту проблему, а также избавиться от большинства недостатков существующих форматов представления моделей можно благодаря приведению информационной модели ТЭК к единому стандарту, основанному на XML спецификации. Предложен стандарт представления информационных моделей ТЭК, основанный на технологии XML, который иллюстрируется далее (рис. 6).

В третьей главе описывается процесс реализации многоагентного программного комплекса «ИНТЭК-М» для исследований проблемы ЭБ России с использованием предложенной методики.

На основании сформулированных во второй главе требований к проектируемому программному комплексу определены системно концептуальные соглашения, которые предлагается взять за основу при разработке «ИНТЭК-М»:

• все разрабатываемые компоненты реализуются в концепции Service Oriented Architecture (SOA);

внутренняя реализация каждого отдельного компонента выполняется с применением объектно ориентированного подхода:

язык моделирования Unified Modeling Language (UML) для проектирования ПК;

объектно-ориентированный язык программирования;

• в качестве единого централизованного хранилища данных предлагается использовать репозитарий ИТ-инфраструктуры ;

• базовым протоколом взаимодействия агентов является Simple Object Access Protocol (SOAP) – для поддержки Web-сервисов;

• обмен данными с другими системами осуществляется с помощью eXtensible Markup Language (XML);

• в качестве основной архитектуры многоагентного программного комплекса принимается многоуровневая распределенная архитектура "клиент-сервер";

• архитектура отдельных агентов разрабатывается в соответствии с моделью MVC (Model/View/Controller);

• используются известные и проверенные шаблоны проектирования;

• используются CASE-средства для проектирования как ПК, так и базы данных (БД).

С целью использования компонентов реализованного ранее унаследованного ПК «ИНТЭК» в составе многоагентного ПК «ИНТЭК-М»

автором был проведен реинжиниринг первого, состоящий из трех этапов: 1) замена вычислительного ядра;

2) реинжиниринг базы данных;

3) реинжиниринг объектной модели комплекса.

Ряд серьезных недостатков представления информационных моделей ТЭК, описанных во второй главе, послужил причиной разработки стандарта для указанных моделей. Ранее информационная модель ТЭК хранилась в файле формата MPS. Автором разработан новый стандарт, основанный на спецификации XML. Таким образом, любая информационная модель ТЭК, используемая для исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ, может быть представлена в виде XML-документа, состоящего из двух обязательных составных блоков (рис. 6). Первый блок содержит описательную информацию о модели, например, количество уравнений и переменных, входящих в модель. Второй блок содержит определенные в модели уравнения и переменные, также в этом блоке может присутствовать «решение».

В рамках проекта по созданию ИТ-инфраструктуры научных исследований в энергетике разработан репозитарий – специализированное хранилище метаданных, которое позволяет хранить, находить и использовать данные об объектах ИТ-инфраструктуры, базах данных, программных комплексах, исследованиях6. Предложено использовать репозитарий для хранения информационных моделей ТЭК. Для этого потребовалось внесение некоторых корректив и разработка дополнительных компонентов для эффективной загрузки/выгрузки данных, а также для интеграции репозитария с другими элементами многоагентного ПК.

Рис. 6. Информационная модель ТЭК.

Для загрузки информационных моделей ТЭК в репозитарий ИТ инфраструктуры автором разработаны алгоритм и соответствующий программный инструментарий (рис. 7). Алгоритм состоит из следующих этапов:

1. Стандартизация форматов данных. Этап подразумевает использование стандартных представлений данных на основе XML. Этот этап был Массель Л.В., Копайгородский А.Н. Технологии и система хранения данных и знаний для исследований в энергетике // Материалы Всероссийской конференции «Современные информационные технологии для научных исследований».- Магадан:

СВНЦ ДВО РАН, 2008.- С. 64-66.

выполнен в ходе разработки стандартного представления информационных моделей ТЭК.

2. Преобразование данных в автоматически формируемый SQL ориентированный код. В основе всех преобразований лежит технология XSLT (eXtensible Stylesheet Language for Transformations). Эта технология описывает правила построения конечного дерева XML-документа на основе другого исходного XML-дерева, однако результатом преобразования может быть необязательно XML-документ, а любой текстовый файл. Преобразование строится путем сопоставления образцов (сравнивается с элементами исходного документа) и шаблонов (используется для создания частей конечного документа).

Преобразование, выраженное через XSLT, называется стилем (stylesheet).

Разработанное программное средство включает набор стилей и использует JAXP (Java API for XML) для связи с XSL-процессором, который в результате выполнения преобразования исходного XML-документа автоматически возвращает SQL-ориентированный код.

3. Выполнение SQL-ориентированного кода. Вследствие того, что различные системы управления базами данных (СУБД) поддерживают различные нотации SQL- команд, невозможно создать либо сгенерировать универсальный скрипт, который бы одинаково выполнялся в разных СУБД и осуществлял заполнение репозитария. Для решения этой проблемы предлагается использовать достаточно простой в реализации префиксный скриптовый язык, поддерживающий несколько простых операций: выполнение команды, установка переменных из констант, установка переменных через запросы и условное выполнение команд.

Таким образом, происходит серия вызовов стандартных SQL-команд, поддерживающихся всеми СУБД по обычному JDBC протоколу.

Рис. 7. Схема использования репозитария для реализации многоагентного ПК.

Далее в главе описывается процесс реализации основных агентов «ИНТЭК-М». В основе реализации агентов лежит архитектурный паттерн "Модель/Вид/Контроллер" (Model/View/Controller (MVC).

Архитектура Модель/Вид/Контроллер (MVC) делит программу на три части. В обязанности компонента Модель (Model) входит хранение данных и обеспечение интерфейса к ним. Вид (View) ответственен за представление этих данных пользователю. Контроллер (Controller) управляет компонентами, получая сигналы в виде реакции на действия пользователя и уведомляя об изменениях модель компонента. Такая внутренняя структура в целом разбивает систему на самостоятельные части и распределяет ответственность всего приложения на различные компоненты.

Основным мотивом для использования паттерна MVC является облегчение модификации или настройки каждой части приложения в отдельности. Этот паттерн очень полезен в тех случаях, когда нужно создавать компоненты, которые одновременно должны соответствовать требованиям гибкости и удобства сопровождения.

В основе работы агента формирования информационных моделей (ИМ) и внесения корректировок лежит иерархическое представление информационной модели ТЭК (рис. 8). Такое представление моделей обеспечивает их лучшее понимание и, по мнению экспертов-энергетиков, является наиболее адекватным.

Рис. 8. Иерархическое представление ИМ (слева), шаблон представления ИМ (справа).

Работа с информационными моделями ТЭК возможна в двух режимах.

Режим XML позволяет исследователю, знакомому с базовыми правилами оформления XML-документов, редактировать информационные модели в соответствии с их стандартом, изложенным ранее в этой же главе.

Режим иерархического представления разбивает экран на две части: в левой части отображается структура информационной модели в виде дерева, правая же часть служит для отображения детальной информации по какому либо элементу дерева с возможностью его редактирования.

Информационная модель ТЭК оперирует математическими терминами (уравнения, переменные), обозначающимися в виде соответствующих кодов, смысл которых понятен экспертам, много лет работающим с ними, однако для новых пользователей эти коды могут быть сложны для восприятия и понимания. Для придания модели содержательного смысла автором предложено использовать так называемые шаблоны представления, основной смысл которых заключается в сопоставлении различным кодам соответствующих сущностей (регионы, технологии, ресурсы). Это соответствие легко может быть изменено самим исследователем путем редактирования файла шаблона, представляющего собой особым способом оформленный XML-документ. Структура шаблона представления показана на рисунке 8.

Пользовательский интерфейс агента формирования отчетов организован в виде Windows-подобных окон, имеет ориентированное на пользователя-непрограммиста “меню”. Пользователь может анализировать один вариант (предусмотрена экономическая интерпретация одного варианта развития ТЭК в виде таблиц) или сравнивать несколько вариантов, представленных в виде графиков. Для удобства сравнения исследователь может использовать столбчатые диаграммы.

Пользовательский интерфейс всех агентов может быть переведен на любой язык, который поддерживается Java (таких языков около 40, причем каждый из них привязан к одной или нескольким странам, в которых он используется). Поддерживается не только язык, но и форматы записи чисел, дат, денежных единиц и т.д., принятые в конкретной стране.

Далее в главе описывается предлагаемая технология решения содержательных задач с использованием разработанного «ИНТЭК-М», а также схема интеграции ПК в ИТ-инфраструктуру исследований в энергетике.

На рисунке 9 представлена общая схема работы агентов ПК «ИНТЭК М». Каждый из реализованных агентов многоагентного программного комплекса решает задачи, соответствующие тому или иному этапу проведения вычислительного эксперимента. Главным достоинством предлагаемого подхода является независимость от последовательности этапов проведения вычислительного эксперимента, которая осуществляется благодаря автономности отдельно взятого агента. Иначе говоря, предлагается новая технология проведения вычислительного эксперимента (ВЭ) в исследованиях проблемы ЭБ, особенностью которой является возможность перейти от «жесткой» схемы ВЭ к заданию различных последовательностей этапов проведения ВЭ.

В таблице 1 представлены основные этапы проведения вычислительного эксперимента, а также соответствующие агенты программного комплекса, обеспечивающие их поддержку, а на рисунке показана диаграмма деятельности проведения ВЭ.

Рис. 9. Общая схема работы агентов ПК «ИНТЭК-М».

Таблица 1. Этапы проведения исследований и инструментарий их поддержки.

Этап Содержание Инструмент Агент формирования Подготовка исходной I информационных моделей и информационной модели внесения корректировок Планирование вычислительных Агент формирования II экспериментов (формирование сценария ВЭ сценария исследований) Агент задания III Наложение чрезвычайной ситуации чрезвычайных ситуаций IV Проведение многовариантных Агент-вычислитель расчетов Интерпретация и анализ полученных Агент формирования V результатов отчетов Глава завершается описанием применения подхода при выполнении работ по грантам РФФИ № 07-07-00265а, РФФИ № 08-07-00172, РГНФ № 07-02-12112в (2007 – 2009 гг.), гранту Программы Президиума РАН №2.15, а также для решения других задач.

Представляется, что применение предложенного автором подхода к созданию современных программных комплексов, основной особенностью которых является использование интеллектуальных средств, а также использование в качестве основы других многоагентных ПК системных компонентов, реализованных автором, облегчит разработку нового программного обеспечения и будет способствовать созданию программного обеспечения нового поколения для исследований в энергетике.

Рис. 10. Технология проведения вычислительного эксперимента.

В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении данной работы, и определены направления дальнейших исследований.

Приложения содержат дополнительный материал, включающий:

обзор технологий построения распределенных программных систем, анализ методов использования Web-сервисов для построения вычислительной ИТ инфраструктуры, пример информационной модели ТЭК, а также примеры шаблонов представления и отображения, используемых агентами разработанного программного комплекса.

Основные результаты работы В ходе выполнения диссертационной работы автором получены следующие результаты:

1. Выполнен анализ класса задач и специфики исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, технологии проведения вычислительного эксперимента. Исследованы современные информационные технологии и осуществлен выбор технологий, отвечающих потребностям энергетических исследований:

концепция многоагентных систем, парадигма сервис-ориентированной архитектуры, технологии Java и XML.

2. Разработан методический подход к построению многоагентных программных комплексов для исследований в энергетике, включающий:

• методику построения и разработки многоагентных программных комплексов, ориентированную на создание программного обеспечения нового поколения для исследований в энергетике;

• сервис-ориентированную архитектуру многоагентного программного комплекса, использование которой позволяет рассматривать отдельные агенты как Web-сервисы, из которых строится приложение;

• модели данных и алгоритмы обработки данных, являющиеся основой универсальных системных программных компонентов, которые могут быть использованы при построении многоагентных ПК для исследований в энергетике.

3. Разработана онтология экономико-математической модели ТЭК, описанная с помощью средств XML, которая легла в основу внутреннего стандарта представления и хранения информационных моделей ТЭК.

4. В соответствии с разработанным методическим подходом, с использованием реализованных автором универсальных системных программных компонентов, выполнены проектирование и реализация многоагентного программного комплекса «ИНТЭК-М» для исследований проблемы ЭБ.

5. Предложена технология проведения вычислительного эксперимента в исследованиях проблемы ЭБ, отличительной особенностью которой является использование интеллектуальных агентов.

Список работ по теме диссертации 1. Фартышев Д.А. Подход к разработке мультиагентной распределенной интеллектуальной информационной системы для исследований энергетики / Черноусов А.В., Фартышев Д.А., Черноусова Е.С. // Вычислительные технологии, т.13, ч. I, 2008. – С. 108–115.

2. Фартышев Д.А. Моделирование ситуаций с использованием когнитивных карт и Joiner-сетей. / Аршинский В.Л., Фартышев Д.А. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование, 2008. – Спецвыпуск. – С.

148–151.

3. Фартышев Д.А. Подход к построению программно-аналитического обеспечения ситуационного анализа. / Аршинский В.Л., Фартышев Д.А., Черноусова Е.С. // Вычислительные технологии, т.13, ч. I, 2008. – С. 157– 163.

4. Fartyshev D.A. Intellectual information technologies in energy security problem research. / Fartyshev D.A., Arshinsky V.L., Massel L.V. // Proceedings of the 11th International Workshop on Computer Science and Information Technologies (CSIT’2009), 2009.– Vol.1.– Р. 25–28.

5. Фартышев Д.А. Интеллектуальная информационная система для ситуационного анализа проблемы энергетической безопасности / Массель Л.В., Аршинский В.Л., Массель А.Г., Фартышев Д.А. // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе / Приложение к журналу «Открытое образование».– Ялта-Гурзуф, 2008. – C. 45–48.

6. Фартышев Д.А. Разработка мультиагентной распределенной интеллектуальной информационной системы для исследований энергетики с использованием репозитария / Фартышев Д.А. // Труды ХIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении».– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008. – Т2.– С. 248–254.

7. Фартышев Д.А. Использование репозитария в мультиагентной распределенной интеллектуальной информационной системе для исследований энергетики / Фартышев Д.А. // Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН.– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2008.– Вып. № 38.– С. 178–182.

8. Фартышев Д.А. Методы использования Web-сервисов для построения вычислительной ИТ-инфраструктуры системных исследований в энергетике / Фартышев Д.А., Черноусов А.В. // Труды ХIII Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении».– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007.– Ч.2.– C. 46–54.

9. Фартышев Д.А. Разработка архитектуры и системных программных компонентов ИТ-инфраструктуры исследований в энергетике / Копайгородский А.Н., Черноусов А.В., Фартышев Д.А. // Интеллектуальные системы обработки информации и управления. Том 1. / Сборник статей 2-ой региональной зимней школы-семинара аспирантов и молодых ученых. – Уфа: Издательство «Технология», 2007. – С. 79-83.

10.Фартышев Д.А. Реализация Web-сервиса для решения задач нелинейной оптимизации на основе унаследованного программного комплекса / Массель Л.В., Черноусов А.В., Фартышев Д.А., Массель А.Г. // Труды международной конференции «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании».– Павлодар (Казахстан): ТОО НПФ «ЭКО», 2006.– T.2.– С.42–50.

11.Фартышев Д.А. Мультиагентный программный комплекс для исследований проблемы энергетической безопасности / Аршинский В. Л., Массель А.Г., Фартышев Д. А. // Труды XIV Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении». – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009.– Ч.3.– С. 283-289.

12.Фартышев Д.А. Многоагентный подход к построению инструментальных средств поддержки проведения исследований направлений развития ТЭК с учетом требований энергетической безопасности / Фартышев Д.А. // Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН.– Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009.– Вып.

№39.– С. 207–213.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.