автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Метод синтеза сценарной динамической модели развития малого города Севера России

На правах рукописи

МАЛЫГИНА Светлана Николаевна

МЕТОД СИНТЕЗА СЦЕНАРНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ МАЛОГО ГОРОДА СЕВЕРА РОССИИ

Специальность 05.13.01 -"Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы) по техническим наукам"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Апатиты - 2003

Работа выполнена в Институте информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научно! о центра РАН (г. Апатиты).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Путилов Владимир Александрович Научный консультант: доктор технических наук, доаент

Заболотский Валим Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук профессор. Поляков Александр Олегович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Павлов Владимир

Анатольевич

Ведущая организация:

Институт системного анализа РАН (I .Москва)

Зашита состоится " ' "^МШлуиЯ, 2003 г. в /-3 часов на заседании диссертационного совета Д002.199.01. при Санкт-Петербургском институте ииформатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, С.-Петербург, 14 линия, д. 39

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПИИ РАН и в научной библиотеке Института информатики и математическою моделирования технологических процессов Кольского научно! о центра РАН (г. Апатиты)

Автореферат разослан 13 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета »^г^

Солодухин А.Н.

2ооЗ-А

"ТяТГГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из важнейших направлений работ по обеспечении глобального устойчивого социально-экономического развития является разработка концепции "устойчивых городов". Для городов, расположенных на Севере России, проблемы устойчивости особенно остры. Это связано с историческими особенностями развития северных городов. Города возникали во многом при освоении богатых природных ресурсов Севера, что повлекло развитие узкоспециализированного производства. Северные суровые климатические условия не благоприятствуют сельскохозяйственному развитию, что уменьшает способность городов обеспечить себя продовольствием, и вынуждает импортировать продукты из других регионов. Это повышает стоимость "потребительской корзины" и снижает ее качество. Продолжительная зима увеличивает отопительный сезон, полярная ночь удлиняет период искусственного освещения, все это увеличивает стоимость производства и жилищно-коммунальных услуг.

В настоящее время, при меняющемся экономическом укладе, отношениях собственности, конъюнктуре рынка многие из городов оказались в сложных социально-экономических условиях и им необходимо искать новые пути развития, решая при этом и комплекс накопившихся экологических проблем.

Город является сложной социально-экономической системой. Одним из эффективных инструментов исследования процессов развития таких систем служит имитационное моделирование. Оно позволяет построить динамическую модель, на которой можно проверить различные стратегии развития, не нанося неисправимый вред исследуемому объекту (городу). В качестве метода для создания динамической модели в работе использован метод системной динамики.

Трудно формализуемым этапом создания динамической модели является разработка структуры модели. Этот этап важен, так как для того чтобы динамическая модель была адекватна исследуемому объекту, необходимо, чтобы ее структура отражала структуру предметной области. Корректное задание структуры динамической модели обеспечивает правильность результатов моделирования. Этого можно достичь, автоматизировав данный этап динамического моделирования путем разработки концептуальной модели предметной области и средств ее интеграции с моделью системной динамики.

Целью диссертационной работы является разработка метода синтеза модели системной динамики и создание сценарной динамической модели развития малого города Севера России.

Основные задачи исследования:

1. Формализация и представление знаний экспертов о социально-экономических системах города.

2. Построение базы знаний на основе концептуальной модели.

3. Разработка метода синтеза динамической модели города на основе базы знаний.

Методы исследования. В исследованиях были использованы: метод системной динамики, системный анализ, элементы теории множеств и теории графов, методы математической статистики.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты выполненных исследований:

1. Разработанная методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

2. Разработанный метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Разработанная сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

Актуальность и научная новизна работы подтверждены включением одного из ее приложений - сценарной динамической модели анализа и прогноза демографической ситуации города Севера России в условиях переходной экономики - в раздел «Математическое моделирование, вычислительная и прикладная математика для задач информатики» перечня важнейших результатов Российской академии наук за 1998 год. На защиту выносятся: 1. Методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

^ Л} '

2. Метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

4. Процедуры синтеза структуры динамической модели на основании концептуальной модели, построенной в виде базы знаний.

Практическая ценность. В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН в период с 1997 г. по 2001 г. по следующим темам: "Информационные технологии в прогнозировании развития социально-экономической системы региона." 1998г. (гос. per. N 01.9.60000720), "Модели системной динамики (динамические модели) типовых городов Севера России", "Методы формализации и оценки устойчивости динамических моделей северных регионов России", "Динамическая модель социально-экономического развития Мурманской области" 1999-2001гг. (гос. per. N 01.99.0010.286)

На основе полученных научных результатов реализована динамическая модель развития города Апатиты на базе его концептуальной модели. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города. Модель внедрена в Администрации города Апатиты.

Результаты исследований использованы при разработке интеллектуальной системы поддержки создания концептуальных моделей сложных систем и синтеза адекватных им имитационных моделей (грант РФФИ № 02-07-90074).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Петрозаводского государственного университета (Кольский филиал) (Апатиты, 1998 г., 2002 г.), на научной конференции "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты, 1999 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Темпы и пропорции социально-экономических процессов на российском Севере" (Апатиты, 2001 г.), на межрегиональном семинаре "Прикладные проблемы управления

макросистемами" (Апатиты, 2002 г.), на VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 2002".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, полученные результаты изложены в 2 отчетах по НИР в ИИММ ТП КНЦ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (77 наименований), приложения. Имеет общий объем 151 машинописных страниц, содержит 37 рисунков, 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и методы исследования. Приводится краткое изложение содержания и основных результатов диссертационной работы, а также основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обзору социально-экономической ситуации малых городов Севера России на примере города Апатиты, который был выбран объектом исследования. Сформулирована цель исследования.

Северные регионы России - это. прежде всего районы добычи и первичной переработки сырьевых ресурсов. В настоящее время Север является главным поставщиком сырьевых ресурсов, как для внутренних потребностей России, так и на экспорт. Типичным примером промышленного района Севера России является Мурманская область, процесс индустриализации которой начался в 30-х годах 20-го века. Особенно бурно промышленность области развивалась в 60-70 годах. Около промышленных предприятий возникло множество городов. Поселения сельского типа в области практически отсутствуют. Основная составляющая социальной инфраструктуры промышленных районов области - малый (до 50-70 тысяч жителей) город. В условиях углубления общего кризиса экономики страны в целом произошло резкое обострение социально-экономических проблем в районах Севера. Ухудшилась демографическая, жилищная, экономическая и экологическая ситуации в городах.

Апатиты являются городом-реципиентом, то есть большая часть бюджета (63%) составляют субсидии из бюджета области. Недостаток финансовых возможностей обостряет такие социальные проблемы города, как обеспечение

людей безопасным и отвечающим санитарным нормам жильем, качество системы здравоохранения. Жилищное строительство переживает глубокий кризис. Демографическая ситуация характеризуется ростом уровня смертности и снижением уровня рождаемости, а также колебаниями миграционного оттока населения. Объективные факторы определяют необходимость разработки стратегий устойчивого развития города.

Под устойчивым экономическим развитием понимается выбор стратегии, которая обеспечивает баланс между сохранением окружающей среды и экономическим развитием таким образом, чтобы, обеспечивая потребности настоящего поколения, не подрывать возможности будущим поколениям обеспечивать их собственные потребности. Это определение относится к мировой эколого-экономической системе, которая является существенно "замкнутой", то есть является самоподдерживающей системой, за исключением притока солнечной энергии и дисперсии тепла наружу. В отличие от нее города являются не полностью замкнутой системой.

В теории имитационного моделирования существует понятие устойчивости динамической системы, в соответствии с которым, динамическая система является устойчивой, если все ее узловые элементы находятся в рабочем состоянии, а входящие и исходящие потоки не в силах изменить это состояние за достаточно продолжительное время. Хотя большинство систем имеют большое количество возможных устойчивых состояний, но только то, что состояние устойчиво, не означает что оно желательно. Поэтому нужно осторожно выбирать характеристики динамического равновесия системы.

Для создания динамической модели города использован метод системной динамики, который основан на четырех принципах: все изменения в любой системе обуславливаются "петлями обратной связи"; динамику поведения сколь угодно сложного процесса можно свести к изменению значений некоторых "уровней", а сами изменения регулировать потоками наполняющими или исчерпывающими уровни; петли обратной связи в любой системе часто соединены не линейно; системная динамика - сугубо прагматический аппарат, который способен наиболее адекватно отразить нетривиальное поведение сети взаимодействующих потоков и обратных связей.

Во второй главе рассматривается этап формализации и представления

экспертных знаний о социально-экономической системе города с помощью концептуальной модели.

Реальные элементы городской системы, представляемые в концептуальной модели подразделяются на два вида - объекты и действия. Под объектом понимается материальный объект городской системы. Под действием понимается некоторый процесс, который может происходить с множеством материальных объектов, и вызывающий их численное изменение Взаимосвязи и взаимодействие объектов реального мира описывается в модели с помощью отношений, задаваемых на множествах объектов и действий.

Каждому реальному объекту присущи некоторые признаки, которые позволяют идентифицировать его и сопоставлять с другими объектами. При построении модели предметной области в рассмотрение принимаются только существенные, с точки зрения глобальной цели, атрибуты, характеризующие объект.

Концептуальная модель развития города представлена в виде древовидного графа, соответствующего декомпозиции материальных объектов городской системы согласно глобальной цели развития города при условии обеспечения состояния динамического равновесия всех элементов городской системы. Все элементы нижнего уровня декомпозиции образуют единый набор элементарных объектов (примитивов модели), для которых задается множество действий. На множестве примитивов и действий задаются отношения концептуальной модели

КМ={А, Р, в},

где КМ - концептуальная модель, А - множество примитивов КМ, Р - множество действий, Б - множество отношений.

В качестве способа представления декларативных знаний об исследуемой предметной области использован язык алгебры множеств, обладающий простой, жесткой и единой для всех уровней декомпозиции структурой. Знания, представляемые с помощью алгебры множеств, допускают использование в качестве принципиальной основы такого языка концептуальную модель предметной области.

В третьей главе представлена структура базы знаний социально-экономической системы и механизм перехода от концептуальной модели к модели системной динамики. Основная идея данного перехода заключается в том, чтобы

избежать работы эксперта непосредственно в понятиях системной динамики, потому что такой способ представления знаний не свойственен для человека.

База знаний представляет собой реализацию формализованных в виде концептуальной модели знаний экспертов о социально-экономической системе города.

К декларативным знаниям базы знаний относятся:

- набор примитивов концептуальной модели - элементов последнего уровня декомпозиции (А);

- набор действий (Р);

- набор элементарных объектов системы динамического моделирования (Т^ЬиИиУиС, где Ь - множество уровней, Р- множество потоков, V - множество переменных, С - множество связей);

К процедурным знаниям базы знаний относятся шаблоны вывода. База знаний содержит три группы шаблонов вывода.

1) Шаблоны вывода, определяющие для каждого примитива концептуальной модели те действия, которым он доступен.

а^ задается как отображение множества примитивов концептуальной модели А на множество упорядоченных пар "примитив-действие" АхР, 1*1: А АхР,

причем Уа, е А 3 р, 6 Р: < а,, р, > е АхР, 1 = 1, о, ] = 1,к1, здесь п - число примитивов, к1 - число "отрицательных" действий.

задается как отображение множества примитивов концептуальной модели А на множество упорядоченных пар "действие-примитив" Рх А, \у2: А РхА,

причем Уа, е А 3 Р] е Р: < р,, а, > е РхА, 1 = 1,п, 3 = 1,к2, здесь п - число примитивов, к2 - число "положительных" действий.

2) Шаблоны вывода, определяющие состав и структуру динамической модели.

а) Шаблон вывода у 1, определяющий для каждого примитива элементарный объект системы динамического моделирования, задается как отображение множества примитивов А на множество уровней Ь, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т. 411: А->ЬЛсТ,

причем \/а, е А, ч/1: а, -» 1„ 1, е Ь, 1 = 1,п.

b) Шаблон вьшода у2, определяющий для каждого элемента множества пар вида "примитив-действие" или "действие-примитив", которое получено в результате применения шаблонов первой группы, элементарный объект системы динамического моделирования, задается как отображение множества ^У^иАр'ХХиРа1) на множество потоков Р, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т.

у2: W -> Р, Р с Т,

причем У"лг, € W, у2: w^ -» ^е Б, ] = 1,т, здесь т - число элементов множества

\У;

^(1,), В ра; =<Р),а, >; ^-(1,), 3 ар; =<а,,р, >;

/,(1„1к), (3 аР; =<а,,Р) >)&(3 ра^ =<р,,ак >).

здесь - входящий поток в уровень 1,, ^'(1,) - выходящий поток из уровня 1„ 15(1„1|с)- поток из уровня 1, в уровень 1к, 1,=\у1(а,).

c) Шаблон вывода \уЗ, определяющий для каждого элемента множества "переменные концептуальной модели" элементарный объект системы динамического моделирования, задается как отображение множества Ук на множество переменных V, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т.

4*3: Ук -> V, V с Т,

причем Уук; е Ук, ц/3: ук, —► V,, V, е V, ¡=1,з, здесь б - число элементов множества Ук.

3) Шаблоны вывода, определяющие связи динамической модели.

a) Шаблон вывода, определяющий связи потоков, зависящих от уровней, задается как отображения множества пар W) полученных в результате применения шаблонов первой группы, на множество связей С, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т

г1: \У->С, С с Т, Ш=(иАр')и(иРа'),

причем, г1: ч»,-* г^.Д,), 1 = 1,ш.

b) Шаблон вывода, определяющий связи потоков, зависящих от других

потоков, задается как отображения множества пар W, полученных в результате применения шаблонов первой группы, на множество связей С, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т.

г2: \¥->С, С с Т, \У=(иАр'М'~|Ра'), причем г2: ¡ = 1,т.

с) Шаблон вывода, определяющий связи потоков, зависящих от вспомогательных переменных, задается как отображения множества пар \У, полученных в результате применения шаблонов первой группы, на множество связей С, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т. гЗ: Сс Т, ■ИНиАр'МиРа'), причем гЗ: > г(Г„уд), 1 = 1,ш.

(1) Шаблон вывода, определяющий связи вспомогательных переменных, задается как отображения множества "переменных концептуальной модели" \Тс на множество связей С, которое является подмножеством множества элементарных объектов системы динамического моделирования Т. г4:Ук-»С,СсТ, причем г4: ук,-> г(£,у,), ¡ = 1,8.

Механизм перехода от концептуальной модели к модели системной динамики состоит из двух этапов:

На первом этапе определяется состав и структура динамической модели. Для генерации состава и структуры динамической модели необходимо определить множество пар элементов, одним из которых является примитив, а другим -действие. Поскольку действие может быть направлено относительно примитива, то целесообразно данные пары представлять в виде кортежей. В алгоритме определения таких кортежей используются шаблоны вывода первой группы. Полученный таким образом набор кортежей однозначно определяет структуру динамической модели. Для генерации состава и структуры динамической модели используются шаблоны вывода второй группы.

На втором этапе определяются связи между элементами модели. В алгоритме генерации связей динамической модели используются шаблоны вывода третьей

группы.

В четвертой главе представлено описание модели системной динамики развития города. Модель реализована средствами пакета динамического моделирования Ро\уегат. Также представлены результаты исследований динамической модели города.

Согласно концептуальной модели динамическая модель развития города состоит из следующих элементов (подсистем) (рис. 1).

услуги

Рис. 1. Состав динамической модели города Демографическая подсистема. Население разделено по полу и возрасту на три возрастные категории: 0-14, 15-50 (55 для мужчин), и старше 51(56 для мужчин). Деление выполнено так, что позволяет моделировать такие важные для городского развития характеристики и отношения как миграция, различающаяся по возрастным группам и группам доходов, отношение неработающих к работающим, которое является важной мерой экономической поддержки доступной городскому населению и др.

Подсистема жилье. Согласно концептуальной модели развития города все жилье делится на неблагоусгроенное и благоустроенное, которое в свою очередь делится на приватизированное и неприватизированное. В модели учитывается ввод жилья в эксплуатацию, и вывод из эксплуатации. Для приватизированного жилья учитывается приватизация и расприватизация.

Подсистема управления (бюджет). Модель управления представлена в виде модели перераспределения денежных средств, которые поступают в бюджет. Средства, поступающие в бюджет, делятся на налоговые поступления, не налоговые поступления и дотации из областного бюджета. В этом делении наиболее интересны налоговые поступления, так как именно они зависят от прочих элементов модели города, таких как экономический сектор и жилищный сектор. Расходная часть бюджета делится в соответствии с показателями, которые заложены в концептуальной модели, то есть жилье, здравоохранение, социальная сфера и образование, отчисления в госбюджет.

Экономический блок. Одной из важнейших подсистем является экономическая подсистема, т. к. именно экономикой определяется возможность выбора вариантов развития всех остальных подсистем города. Согласно концептуальной модели важными параметрами здесь являются наличие рабочих мест в городе и факторы, непосредственно влияющие на возможность изменения числа работающих (такие как прибыльность предприятий, возможность финансирования городской инфраструктуры, заработная плата и т.д.). Также учтены параметры экономического и других блоков модели, которые влияют на уровень безработицы в городе. Прежде всего, это миграция населения, число открывающихся и закрывающихся предприятий, величина отчислений из бюджета на поддержку крупного и малого бизнеса, величина средней заработной платы на крупных, средних и малых предприятиях.

Экологический блок. Для г.Апатиты характерной особенностью окружающей среды является близость горнодобывающего предприятия ОАО «Апатит», а также ряда других предприятий. Модель окружающей среды построена таким образом, чтобы давать возможность оценивать: возможные изменения ее состояния при варьировании различных показателей человеческой деятельности, прямо или косвенно влияющих на окружающую среду; влияние таких изменений на здоровье человека.

В модели исследуется загрязнение воздуха и загрязнение воды (озера, которое является источником питьевой воды). Для исследования этих параметров вводятся два понятия: реальное загрязнение окружающей среды; воспринимаемое человеком загрязнение. Второе понятие введено вследствие того, что практически любое загрязнение окружающей среды, в которой находится человек, не будет отражаться на состоянии его здоровья немедленно.

Источниками загрязнения воздуха являются: действующий транспорт, фабрика, ТЭЦ и хвостохранилище (когда рассматривается процесс пыления поверхности хвостохракилища). Основным источником загрязнения озера является фабрика (сброс недостаточно очищенных вод промышленного использования в озеро). Каждый из этих источников имеет свои характеристики по интенсивности действия в различные месяцы года и по влиянию на здоровье человека.

Анализ чувствительности динамической модели г. Апатиты относительно его демографической подсистемы показал, что существенное влияние на миграционные процессы оказывает наличие рабочих мест (возможность населения получить работу). Это хорошо согласуется с результатами аналогичных исследований в мировой практике. Отличительной особенностью динамической модели г. Апатиты является низкая чувствительность миграционных процессов от стоимости жилья в городе (влияние подсистемы "жилье"). Такая ситуация возникает, когда экономический потенциал города значительно падает, численность населения в нем может снизиться настолько, что станет меньше той величины, на которую рассчитан жилой фонд при нормальной плотности заселения для каждой экономической категории населения.

Для оценки устойчивости такого состояния системы на динамической модели был зафиксирован текущий экономический потенциал города на протяжении 10 лет. Для оценки возможности перехода из данного состояния в другое устойчивое состояние, характеризуемое численностью населения, соответствующей размеру жилого фонда, был задан некоторый рост экономического потенциала города, характеризующийся появлением новых рабочих мест, тоже в течение 10 лет.

Исследовано влияние экономического потенциала г. Апатиты на значения показателей базового набора, характеризующих "Качество жизни" как интегрированный критерий оценки устойчивости развития города, на примере распределения населения на группы по доходам. Как правило, выделяются три

группы населения - с высокими доходами, средними и низкими.

Для исследования влияния экономического потенциала г. Апатиты на распределение населения города на группы по доходам были проведены следующие эксперименты (исследовалось только трудоспособное население; принято допущение, что дети распределены внутри этой категории равномерно; категория пожилых людей в данной модели не рассматривается ввиду отсутствия модели влияния экономического потенциала отдельного города на размер пенсий).

Зафиксирован текущий экономический потенциал г. Апатиты до 2020 г., получены следующие результаты. В первые 3-4 года (до 2004г.) наблюдается положительная тенденция роста численности жителей с низкими доходами. Это обусловлено, в первую очередь, снижением общей численности населения г. Апатиты в данном интервале времени. Далее, после 2005г., в связи с ростом численности населения города, тенденция изменится, и будет происходить вначале медленно, а с 2012г. с экспонентциально-нарастакицей скоростью процесс "расслоения" населения

Был задан рост экономического потенциала города, обеспечивающий рост доходов на человека примерно 2-3% в год. В такой ситуации удается сохранить положительные тенденции роста численности населения со средними доходами и снижения численности населения с низкими доходами. К 2020 г. численность "бедных" снизится до уровня 15 - 17%, что уже сравнимо с аналогичными показателями, принятыми в мировой практике для устойчивых городов.

Проведенные исследования косвенно показали адекватность полученного критерия устойчивости развития города. Кроме того показано, что наблюдаемые в последнее время положительные тенденции в распределении населения на группы по доходам носят временный характер, и только рост экономического потенциала города, сопровождающийся увеличением доходов населения на 2 - 3% в год, способен сохранить эти тенденции в ближайшие 20 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений, а также ее практические результаты представляют собой решение актуальной научно-технической проблемы автоматизации ранних, менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации этапов создания динамической

модели развития города с использованием знаний экспертов. При этом в работе получены следующие результаты.

1. Разработана методика для формализации и представления экспертных знаний о предметной области, позволяющая специалистам в своей терминологии строить концептуальную модель предметной области.

2. В рамках предложенной методики разработана концептуальная модель развития города, которая позволила формализовать и представить знания специалистов в системе городского хозяйства и дала возможность учитывать в процедурах решения задач особенности структуры исследуемой предметной области.

3. Реализация концептуальной модели в виде базы знаний позволяет получить формальные процедуры синтеза структуры динамической модели, адекватной исследуемому объекту. Таким образом, решена проблема обеспечения адекватности при динамическом моделировании социально-экономической системы как город.

4. Применение метода системной динамики позволяет моделировать город как сложную систему, состоящую из разнородных элементов, являющихся также сложными системами, материальных и информационных потоков и цепей положительной и отрицательной обратной связи. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Горохов A.B., Малыгина С.Н. Концептуально динамическая модель устойчивого развития типового города Севера России. - В кн.: Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития, Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 1999. - с. 25-34.

2. Малыгина С.Н. Реализация средствами системы динамического моделирования Powersini модели развития типового города Севера России. - В кн.: Теоретические и прикладные модели информатизации региона, Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2000. - с. 53-60.

3. Горохов A.B., Малыгина С.Н. Исследование динамической модели города Апатиты (влияние динамики рабочих мест на миграционные процессы). - В кн.:

Теоретические и прикладные модели информатизации региона. Апатиты, изд. * Кольского научного центра РАН, 2000. - с. 61-63.

4. Викторовский С.А., Малыгина С.Н. Разработка динамической модели ^ экономической подсистемы города Апатиты. - В кн.: Модели социальных,

технологических и образовательных процессов, Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2001. - с. 87-89.

5. Горохов A.B., Малыгина С.Н. Механизм перехода от концептуальной модели социально-экономической системы к модели системной динамики. - В кн.:

^ Модели социальных, технологических и образовательных процессов, Апатиты,

изд. Кольского научного центра РАН, 2001. - с. 87-89.

|

i ( I

I

Автореферат

' Малыгина Светлана Николаевна

*

МЕТОД СИНТЕЗА СЦЕНАРНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РАЗВИТИЯ МАЛОГО ГОРОДА СЕВЕРА РОССИИ

Технический редактор Каржавина С.И.

Лицензия ЛР № 040110 от 10.11.96г. Подписано к печати 14.10.2003

^ Формат бумаги 60x841 1/16. Бумага типографская. Печать офсетная.

Уч.-изд. л. 1. Усл. краско-от. I Заказ ОД/Тираж 100 экз.

I ' _

• Издательство Петрозаводского государственного университета

Петрозаводск, пр. Ленина, 33

Отпечатано подразделением оперативной полиграфии Кольского филиала ПетрГУ

Ii

1 Апатиты, ул. Космонавтов, 3

Q. o<=>3-(\ i &HII P184 1 '

i

i

i

i

i

i

ВВЕДЕНИЕ.

1. УСТОЙЧИВОЕ РАЗВИТИЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1.1. Общая концепция устойчивого развития.

1.2. Концепция устойчивых городов.

1.3. Город как социально-экономическая система.

1.4. Методы прогнозирования.

1.4.1 Метод среднесрочного прогнозирования (регрессионный анализ).

1.4.2. Макросистемный подход.

1.4.3. Метод системной динамики.

1.4.4. Выбор метода.

Выводы.

2 КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ РАЗВИТИЯ ГОРОДА.

2.1 Определение проблематики.

2.2. Состав и структура концептуальной модели.

2.3 Реализация концептуальной модели.

2.3.1 Экспертный метод декомпозиции концептуальной модели.

2.3.2 Экспертное задание набора покрывающих действий.

2.4 Язык представления модели.

Выводы.

3. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕХОДА ОТ КОНЦЕПТУАЛЬНОЙ МОДЕЛИ К МОДЕЛИ СИСТЕМНОЙ ДИНАМИКИ.

3.1. Реализация концептуальной модели в виде базы знаний.

3.2. Структура базы знаний социально-экономической системы города.

3.2.1. Декларативные знания базы знаний.

3.2.2. Процедурные знания базы знаний.

3.3 Технология синтеза на основе базы знаний модели системной динамики.

3.3.1. Генерация состава и структуры динамической модели.

3.3.2. Генерация информационных связей динамической модели.

3.4. Пример генерации на базе концептуальной модели динамической модели демографической подсистемы Города.

Выводы.

4. ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГОРОДА АПАТИТЫ.

4.1 Язык динамического моделирования Powersim.

4.1.1. Общая характеристика и возможности.

4.1.2 Сравнительный анализ реализуемых системой методов интегрирования

4.2. Реализация динамической модели г. Апатиты.

4.2.1 Динамическая модель демографической подсистемы.

4.2.2 Динамическая модель подсистемы жилье.

4.2.3 Динамическая модель подсистемы управление (бюджет).

4.2.4 Динамическая модель экономической подсистемы.

4.2.5 Экологический блок г. Апатиты (окружающая среда).

4.3. Результаты динамического моделирования г. Апатиты.

4.4. Исследование динамической модели г. Апатиты.

4.4.1. Определение области устойчивых состояний социально-экономической системы.

4.4.2. Интегрированный критерий оценки состояния социально-экономической системы.

4.4.3. Исследование устойчивости социально-экономической системы.

Выводы.

Актуальность проблемы. Одним из важнейших направлений работ по обеспечении глобального устойчивого социально-экономического развития является разработка концепции "устойчивых городов". Для городов, расположенных на Севере России, проблемы устойчивости особенно остры. Это связано с историческими особенностями развития северных городов. Города возникали во многом при освоении богатых природных ресурсов Севера, что повлекло развитие узкоспециализированного производства. Северные суровые климатические условия не благоприятствуют сельскохозяйственному развитию, что уменьшает способность городов обеспечить себя продовольствием, и вынуждает импортировать продукты из других регионов. Это повышает стоимость "потребительской корзины" и снижает ее качество. Продолжительная зима увеличивает отопительный сезон, полярная ночь удлиняет период искусственного освещения, все это увеличивает стоимость производства и жилищно-коммунальных услуг.

В настоящее время, при меняющемся экономическом укладе, отношениях собственности, конъюнктуре рынка многие из городов оказались в сложных социально-экономических условиях и им необходимо искать новые пути развития, решая при этом и комплекс накопившихся экологических проблем.

Город является сложной социально-экономической системой. Одним из эффективных инструментов исследования процессов развития таких систем служит имитационное моделирование. Оно позволяет построить динамическую модель, на которой можно проверить различные стратегии развития, не нанося неисправимый вред исследуемому объекту (городу). В качестве метода для создания динамической модели в работе использован метод системной динамики.

Трудно формализуемым этапом создания динамической модели является разработка структуры модели. Этот этап важен, так как для того чтобы динамическая модель была адекватна исследуемому объекту, необходимо, чтобы ее структура отражала структуру предметной области. Корректное задание структуры динамической модели обеспечивает правильность результатов моделирования. Этого можно достичь, автоматизировав данный этап динамического моделирования путем разработки концептуальной модели предметной области и средств ее интеграции с моделью системной динамики.

Целью диссертационной работы является разработка метода синтеза модели системной динамики и создание сценарной динамической модели развития малого города Севера России.

Основные задачи исследования:

1. Формализация и представление знаний экспертов о социально-экономических системах города.

2. Построение базы знаний на основе концептуальной модели.

3. Разработка метода синтеза динамической модели города на основе базы знаний.

Методы исследования. В исследованиях были использованы: метод системной динамики, системный анализ, элементы теории множеств и теории графов, методы математической статистики.

Научная новизна. Научной новизной обладают следующие результаты выполненных исследований:

1. Разработанная методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

2. Разработанный метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Разработанная сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

Актуальность и научная новизна работы подтверждены включением одного из ее приложений - сценарной динамической модели анализа и прогноза демографической ситуации города Севера России в условиях переходной экономики - в раздел «Математическое моделирование, вычислительная и прикладная математика для задач информатики» перечня важнейших результатов Российской академии наук за 1998 год.

На защиту выносятся:

1. Методика формализации и представления знаний экспертов о предметной области, которая позволяет построить концептуальную модель развития города в естественной терминологии.

2. Метод перехода от концептуальной модели к модели системной динамики развития малого города Севера России, обеспечивающий формальную основу синтеза моделей системной динамики города.

3. Сценарная динамическая модель города, которая позволяет исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

4. Процедуры синтеза структуры динамической модели на основании концептуальной модели, построенной в виде базы знаний.

Практическая ценность. В основу диссертационной работы положены результаты, полученные автором в ходе исследований, проводимых по планам научно-исследовательских работ Института информатики и математического моделирования Кольского научного центра РАН в период с 1997 г. по 2001 г. по следующим темам: "Информационные технологии в прогнозировании развития социально-экономической системы региона." 1998г. (гос. per. N 01.9.60000720), "Модели системной динамики (динамические модели) типовых городов Севера России", "Методы формализации и оценки устойчивости динамических моделей северных регионов России", "Динамическая модель социально-экономического развития Мурманской области" 1999-2001гг. (гос. per. N 01.99.0010.286)

На основе полученных научных результатов реализована динамическая модель развития города Апатиты на базе его концептуальной модели. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города. Модель внедрена в Администрации города Апатиты (акт о внедрении прилагается.)

Результаты исследований использованы при разработке интеллектуальной системы поддержки создания концептуальных моделей сложных систем и синтеза адекватных им имитационных моделей (грант РФФИ № 02-07-90074).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Петрозаводского государственного университета (Кольский филиал) (Апатиты, 1998 г., 2002 г.), на научной конференции "Информационные технологии в региональном развитии" (Апатиты, 1999 г.), на межрегиональной научно-практической конференции "Темпы и пропорции социально-экономических процессов на российском Севере" (Апатиты, 2001 г.), на межрегиональном семинаре "Прикладные проблемы управления макросистемами" (Апатиты, 2002 г.), на VII Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика - 2002".

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 печатных работ, полученные результаты изложены в 2 отчетах по НИР в ИИММ ТП КНЦ РАН.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (77 наименований), приложения. Имеет общий объем 150 машинописных страниц, содержит 37 рисунков, 4 таблицы.

Выводы

1. Применение метода системной динамики позволяет моделировать город как сложную систему, состоящую из разнородных элементов, являющихся также сложными системами, материальных и информационных потоков и цепей положительной и отрицательной обратной связи.

2. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

3. Исследования устойчивости на динамической модели г. Апатиты позволили определить для города область устойчивых состояний.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Совокупность сформулированных и обоснованных в диссертационной работе положений, а также ее практические результаты представляют собой решение актуальной научно-технической проблемы автоматизации ранних, менее изученных с точки зрения формализации и алгоритмизации этапов создания динамической модели развития города с использованием знаний экспертов. При этом в работе получены следующие результаты.

1. Разработана методика для формализации и представления экспертных знаний о предметной области, позволяющая специалистам в своей терминологии строить концептуальную модель предметной области.

2. В рамках предложенной методики разработана концептуальная модель развития города, которая позволила формализовать и представить знания специалистов в системе городского хозяйства и дала возможность учитывать в процедурах решения задач особенности структуры исследуемой предметной области.

3. Реализация концептуальной модели в виде базы знаний позволяет получить формальные процедуры синтеза структуры динамической модели, адекватной исследуемому объекту. Таким образом, решена проблема обеспечения адекватности при динамическом моделировании социально-экономической системы как город.

4. Применение метода системной динамики позволяет моделировать город как сложную систему, состоящую из разнородных элементов, являющихся также сложными системами, материальных и информационных потоков и цепей положительной и отрицательной обратной связи. Построенная динамическая модель г. Апатиты позволяет разрабатывать и исследовать различные сценарии социально-экономического развития города.

1. Андрейчиков А.В., Андрейчикова О.Н. Анализ, синтез, планирование решений в экономике.- М.: Финансы и статистика, 2000.- 368с.

2. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: Наука, 1987.-598с.

3. Бурбаки Н. Теория множеств. М.: Мир, 1965.-240с.

4. В.Л.ван дер Варден. Алгебра: пер с нем., М.:Наука, 1976.-650с.

5. Викторовский С.А., Малыгина С.Н. Разработка динамической модели экономической подсистемы города Апатиты. В кн.: Модели социальных, технологических и образовательных процессов, Апатиты, изд. Кольского научного центра РАН, 2001 г., с. 87-89.

6. Горбунов А.Р. Системная динамика. http://www.tora-centre.ru/library/reing/dynamo.htm

7. Ю.Горохов А.В., Малыгина С.Н. Концептуально динамическая модель устойчивого развития типового города Севера России В кн.: Имитационное моделирование в исследованиях проблем регионального развития, Апатиты, изд. ПетрГу, 1999 г., с. 25-34.

8. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн./Пер. с англ. М.: Финансы и статистика, 1987.

9. Замков О.О., Толстопятенко А.В., Черемных Ю.Н. Математические методы в экономике. М.:, ДИС, 1998г.13.3алывский Н.П. Стратегия инвестирования для устойчивого развития Европейского Севера России. Архангельск: Изд-во Помор, ун-та, 2000. -414 с.

10. Иванова М. В. Проблемы и развитие малых городов Мурманской области.- //Наука и бизнес на Мурмане, октябрь, 1997, Мурманск. с. 89-92

11. Игнатьев М.Б., Путилов В.А., Смольков Г.Я. Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. М., Наука,1986,232с.

12. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. - 512с.

13. Клир Дж. Системология. Автоматизация решения системных задач: Пер. с англ.-М.:Радио и связь, 1990.-544с.,ил.

14. Конференция ООН в Рио-де-Жанейро(1992). http://vmw.prometa.ru/frames/guide/confunrio.htm

15. Концепция Российской программы развития районов Севера на 15-20 лет.- Апатиты: КНЦ РАН, 1991. 180 с.

16. Краткий экономико-математический словарь. JI. И. Лопатников, Москва, "Наука", 1979.

17. Кугаенко А.Л. Основы теории и практики динамического моделирования социально-экономических объектов и прогнозирования их развития, Вуз книга, 1998

18. Кузьмин И.А., Путилов В.А. Функционально-целевая технология синтеза интегрированных АСНИ.//Методы и средства вычислительного эксперимента, Апатиты, изд. КНЦ АН СССР, 1990,с. 4-17.

19. Кузьмин И.А.,Путилов В.В.,Фильчаков В.В. Распределенная обработка информации в научных исследованиях. СПб.:Наука, 1991, 304 с.

20. Литвак Б.Г. Экспертная информация: Методы получения и анализа.- М.: Радио и связь, 1982.-184с., ил.

21. Льюис К.Д. Методы прогнозирования экономических показателей./Пер с англ. -М.:Финансы и статистика, 1986. 133с.

22. Лычкина Н.Н. «Системы принятия решений в задачах социально-экономического развития регионов», Компьюлог, №2(32), М., 1999г.

23. Мальцев А.И. Основы линейной алгебры. М.:Наука,1975,- 400с., ил.

24. Мальцев А.И. Алгебраические системы.-М.:Наука,1970,- 352с., ил.

25. Мантатова Л.В. Устойчивое развитие: экология и человеческий дух. -Улан-Удэ: Бурят, кн. изд-во, 1999. 174 с.

26. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М.: Наука, 1989г. -608с.

27. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических систем. М.: Мир, 1973 г.

28. Михлин С.Г., Смолицкий Х.Л. Приближенные методы решения дифференциальных и интегральных уравнений. — М.: Наука, 1965 г, 384 е., ил.

29. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1981. - 488с.

30. Мурманская область в цифрах. Краткий статистический сборник. -Мурманский областной комитет государственной статистики, 1996

31. Наше общее будущее: Доклад Международной комиссии по окружающей среде и развитию. М., 1989. - с. 376

32. Нильсон Н. Принципы искусственного интеллекта: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985, 376с.

33. Новиков П.С. Элементы математической логики.-М.: Физ-мат.из, 1959.-293с.

34. Осуга С. Обработка знаний: пер. с япон.-М.:Мир,1989, 293с.

35. Папенов К.В. Устойчивое развитие: теоретический аспект//- Вестн. МГУ Серия 6. Экономика. 1995. - № 5. - с. 3 - 18.

36. Перегудов Ф.И. Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ.- М.: Высш. шк., 1989.-367 с.

37. Переписка с предприятиями, организациями и учреждениями по вопросам предпринимательской деятельности. Отдел экономики г. Апатиты. 1998г.

38. Попков Ю.С. Моделирование равновесных и неравновесных состояний макросистем. В кн.: Проблемы системного анализа и управления: Сборник трудов Института системного анализа РАН /Под ред. С.В. Емельянова. - М.: Эдиториал УРСС, 2001. - с.92-114.

39. Попков Ю.С. Теория макросистем (равновесные модели). М.: Эдиториал УРСС, 1999.-320 с.

40. Попков Ю.С. Теория макросистем и ее применение. — М.: Эдиториал УРСС, 1999.

41. Попков Ю.С, Посохин М.В., Гутнов А.Э., Шмульян Б.Л, М. Системный анализ и проблемы развития городов, Наука, 1983

42. Поспелов Г.С. Искусственный интеллект основа новой информационной технологии. М.: Наука, 1988

43. Поспелов Г.С. Системный анализ и искусственный интеллект. М.: ВЦ АН СССР, 1980.

44. Поспелов Д.А. Моделирование рассуждений. Опыт анализа мыслительных актов.-М.: Радио и связь, 1989.-184с.,ил.

45. Представление и использование знаний: Пер. с япон./Под ред. X. Уэно, М. Исидзука. М.: Мир, 1989.-220с., ил.

46. Региональные социально-экономические проблемы Севера в переходный период. Апатиты: КНЦ РАН, 1993. - 79с.

47. Ресин В.И., Попков Ю.С. Развитие больших городов в условиях переходной экономики (системный подход).- М.: Эдиториал УРСС, 2000. — 328 с.

48. Самарский А.А. Введение в численные методы. — М.: Наука, 1987. 286 с.

49. Семенов Н.А. Программы регрессионного анализа и прогноза временных рядов.- М.: Финансы и статистика, 1990. 110 с.

50. Синтез моделей вычислительного эксперимента /Под ред.В.А.Путилова.-Спб.: Наука, 1992,231 с.

51. Системы: декомпозиция, оптимизация и управление /Сост. М. Сингх, А. Титли; Сокр.пер. с англ. А.В. Запорожца. М.: Машиностроение, 1986.-496 е., ил.

52. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1995 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1996г.

53. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1996 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1997г.

54. Социально-экономическое положение города Апатиты в 1997 году. Апатитский городской отдел статистки. Апатиты. 1998г.

55. Тикунов B.C., Цапук Д.А. Устойчивое развитие территорий: картографо-геоинформационное обеспечение: Москва-Смоленск, Изд-во СГУ, 1999, -176с.

56. Форрестер Дж. Динамика развития города М.: Прогресс, 1974, - 285 с.

57. Форрестер Дж. Мировая динамика. М.: Наука, 1978. -165 с.

58. Форрестер Дж. Основы кибернетики предприятия. М.: Прогресс, 1971. -340 с.

59. Френкель А.А., Бар-Хиллел И. Основы теории множеств. М.: Мир, 1966.556 с.

60. Хартия "Города Европы по пути к устойчивому развитию". http://www.ksdi.ru/readhall/otcrit/r3-hartiy.html

61. Чернышев М.К., Гаджиев М.Ю. Математическое моделирование иерархических систем. М.:Наука.1983.-191с.

62. Шебеко Ю.А. Имитационное моделирование, ТОРА-центр

63. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука. М.: Мир, 1978.-417 с.

64. Daly, Herman Е. Sustainable Growth: An Impossibility Theorem. //Clearinghouse Bulletin. 1994. 4(4): 1-2,4,7.

65. Aburdene Maurice F. Computer simulation of dynamic systems. Bucknell University, Dubuque, 1990. - 354 p.

66. Meadows, Donella H., Dennis L. Meadows, Jorgen Randers, and William W. Behrens III. (1972). The Limits to Growth. New York: Universe Books. 205 pp.

67. Powersim 2.5 Reference Manual. Herndon, USA: Powersim Press, 1996.-427p

68. Radzicki M. J. A System Dynamics Approach to Sustainable Cities //Procedings of the 1995 International System Dynamics Conference, Gakushuin University, Tokyo, Japan. 1995. - p. 191-210

69. Sustainable Seattle. "Sustainable Seattle Indicators of Sustainable Community 1995." Available from Sustainable Seattle, c/o Metrocenter YMCA. 909 Fourth Avenue. 1995. Seattle, WA, 98104. (206) 382-5013.

70. Truckee Meadows Tomorrow. Life in the Truckee Meadows: 1994 Quality of Life Index Report. 1400-Awedekind Road. Reno, Nevada. 1994. 89512.

71. Shannon R., Biles W., The Utility of Certain Curriculum Topics to Operation Research Practitioners, Operation Research, v. 18, N 4, Jul. Aug. 1970.

72. Weston F. OR Techniques Relevant to Corporate Planning Function Practices,L

73. An Investigative Look, presented at 39 National Meeting, Operations Research Society of America, Operations Research Bulletin, v. 19, Suppl. 2, Spring, 1971.