автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Аналитическое и программно-технологическое обеспечение поддержки принятия управленческих решений в природопользовании

На правахрукописи

АРАКЧЕЕВ Дмитрий Борисович

АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНО-ТЕХНОЛОГИЧЕОСОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ УПРАВЛЕНЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (природопользование, муниципальное управление)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Дубна, 2005 г.

Работа выполнена в Государственном научном центре Российской Федерации Всероссийском научно-исследовательском институте геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИгеосистем) Министерства природных ресурсов Российской Федерации.

Научный руководитель:

доктор технических наук ЧЕРЕМИСИНА

Евгения Наумовна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук ПЕТРОВ

Андрей Евгеньевич кандидат физико-математических наук АВЕРКИН

Алексей Николаевич

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт экономики минерального сырья и недропользования (ВИЭМС).

Автореферат разослан "19" апреля 2005 г.

Защита диссертации состоится "20" мая 2005 г. в 16 часов в аудитории 1-300 на заседании Диссертационного совета К800.017.01 Международного Университета природы, общества и человека «Дубна».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Международного университета природы, общества и человека «Дубна», по адресу: Московская обл., г. Дубна, ул. Университетская, д. 19.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

Токарева Н.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Целевым назначением информационно-аналитических систем (ИАС) в области управления природопользованием является оперативная информационная поддержка принятия решений. Несмотря на то, что направление разработки аналитического программного обеспечения активно развивается как в нашей стране, так и за рубежом, в области разработки и внедрения систем поддержки принятия решений в природопользовании остается множество проблем и сложностей. Принятие обоснованных управленческих решений в данной сфере требует эффективного хранения, оперативного доступа, а также полного и всестороннего анализа огромного объема разноплановой и разнородной (в том числе, пространственно-привязанной) информации об обстановке, складывающейся в регионе. Кроме того, для данной области характерны свойства слабой структурированности (наличия качественных факторов и невозможности использования количественных формальных моделей анализа), наличия неопределенностей (неопределенных или недостоверно известных факторов), а также быстрого изменения внешней среды.

Современные ИАС должны обеспечивать оперативный доступ, унифицированное хранение, картографическое представление и многокритериальную оценку состояния и использования природных ресурсов для формирования и выбора вариантов управленческих решений. Комплекс информационно-аналитических систем в области мониторинга и управления природными ресурсами должен содержать средства организации и управления базами данных (СУБД), средства представления данных, средства многофункционального анализа и моделирования, геоинформационные системы (ГИС), а также средства систем поддержки принятия решений (СППР).

В связи с этим эффективное создание таких систем делает актуальным развитие методов многокритериального анализа и принятия решений, а также специализированных программно-технологических средств разработки ИАС.

Целью работы является разработка методов и программно-технологических средств создания прикладных информационно-аналитических систем для поддержки принятия управленческих решений в природопользовании.

Основные задачи работы.

1. Обзор и анализ программно-технологических средств и методик, применяемых при проектировании и разработке информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

2. Разработка математического и программно-технологического обеспечения поддержки принятия решений в слабоструктурированных задачах планирования, прогнозирования и управления.

3. Создание специализированной инструментальной среды разработки прикладных информационно-аналитических систем.

4. Апробация разработок при создании информационно-аналитических систем в области мониторинга недр и управления природопользованием.

Научная новизна.

1. Предложен новый методико-технологический подход к построению информационно-аналитических систем в области управления природопользованием, основанный на сочетании возможностей современных СУБД, ГИС и СППР в единой среде.

2. Впервые разработаны алгоритмы расчета локальных приоритетов по абсолютным значениям, расчета отношения согласованности, оценки согласованности экспертных суждений «по тройкам».

3. Создана инструментальная программно-технологическая среда разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия решений, обеспечивающая конструирование клиентских мест системы путем визуальной настройки специальных программных компонентов.

Практическая значимость.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в разработке программно-технологических средств, обеспечивающих эффективное создание прикладных информационно-аналитических систем, включающих блок поддержки принятия решений на этапах оценки ситуации, выявления предпочтений, генерации вариантов решений и выбора лучшей альтернативы.

На базе разработанных автором подхода, математических и программно-технологических средств создана первая очередь информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр Российской Федерации (НАС ГМСН), реализована подсистема «Подземные воды» Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Разработанная СППР применяется в Ситуационном центре МПР России.

Реализация и апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на XXIX - XXXI сессиях Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и бизнесе» (Гурзуф, 2002 - 2004 гг.), Семинаре «Использование ГИС для управления территориями, городами, предприятиями» (Анапа, 2002 г.), Международной конференции «Математическое моделирование природных экосистем» (Республика Казахстан, Алматы, 2003 г.).

Разработки апробированы при автоматизации ведения мониторинга подземных вод России и Казахстана, решении задач муниципального управления и лицензирования недропользования.

Публикации и личный вклад.

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2000-2004 гг.

Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. По результатам выполненных исследований опубликовано девять печатных работ.

Автором обоснованы основные методические и технологические решения, обеспечивающие разработку прикладных информационно-аналитических систем поддержки принятия решений в сфере управления природопользованием. Непосредственно автором разработано математическое и технологическое обеспечение СППР «Эксперт». Принципиальное значение играет вклад автора в создание инструментальной среды разработки информационно-аналитических систем и реализацию ряда прикладных систем и технологий на ее основе. Объем и структура работы.

Работа содержит 117 стр., включает 34 рис., 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав и заключения. Список использованной литературы содержит 71 наименование.

Диссертация выполнена под научным руководством д.т.н., профессора Е.Н. Черемисиной, которой автор выражает глубокую признательность, а также искренне благодарит к.т.н. Л.Е. Чесалова, к.т.н. О.В. Митракову, к.т.н. А.В. Любимову, А.С. Попова за консультации и помощь в работе.

Выполненные разработки апробированы на материалах Комитета геологии и недропользования Республики Казахстан. Автор выражает искреннюю благодарность ДА. Касымбекову, ВА Киктеву, Н.Г. Полонской и др. казахстанским специалистам.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор и анализ программно-технологических средств и методик, применяемых при создании информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

В первом разделе рассматривается современное состояние и проблемы создания информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

К задачам информационно-аналитических систем, ориентированных на поддержку принятия управленческих решений, относятся:

- подготовка и организация доступа к разнородным данным;

- анализ массивов исходных данных,

- проведение обобщающих аналитических запросов и предметных расчетов, представление результатов в удобном виде для лица, принимающего решение (ЛПР);

- построение системы критериев и показателей эффективности вариантов решений;

- генерация списка возможных решений (альтернатив, вариантов);

- оценка каждого из вариантов и выбор лучшего согласно системы критериев и исходных данных,

- анализ полученных результатов с точки зрения достижения цели решаемой задачи

В состав интегрированных информационно-аналитических комплексов входят средства построения баз, хранилищ и витрин данных (Data Warehouse), средства работы с детализированной информацией, инструменты оперативной аналитической обработки (On-Line Analytical Processing, OLAP) и прочие средства многомерного анализа, инструменты конечного пользователя для выполнения запросов и построения отчетов (Query and Reporting Tools), средства интеллектуального анализа данных (Data Mining), системы поддержки принятия решений на основе знаний и многокритериальных оценок (Decision Support Systems, DSS)

В настоящее время существует большое количество решений по созданию интегрированных ИАС для различных приложений Особо развиты и широко распространены системы автоматизированного управления предприятием, ориентированные, в первую очередь, на решение экономических и маркетинговых задач Специфика данных задач позволяет разрабатывать и внедрять ИАС на базе уже созданных модулей, ориентирующихся на отработанные стандартные механизмы решения Однако, для многих других областей применения (в частности, в природопользовании) подобных стандартных решений еще не существует, и специфика предметной области вынуждает создавать системы автоматизации на более низком инструментальном уровне, включая анализ функциональных задач, проектирование структур данных

Во втором разделе рассмотрен основной программно-технологический инструментарий для создания компьютерных систем Рассмотрены три основных подхода, описаны преимущества и недостатки каждого из них с точки зрения разработки ИАС

Первый подход основан на использовании средств для создания «настольных» (DeskTop) ИАС Сюда можно отнести входящие в состав популярного пакета MS Office программы Access и Excel, еще ряд программ Преимущества их очевидны

- низкая стоимость и общедоступность,

- простота работы разработчика, как с точки зрения создания базы данных, так и форм клиентского приложения, и как следствие - легкость внесения необходимых настроек и изменений при доработке и сопровождении системы,

- наличие встроенных инструментов и шаблонов для работы с данными

В то же время, данные средства недостаточны для построения крупных отраслевых систем вследствие ориентации на локальные базы данных

В рамках второго подхода для создания ИАС используется одна из промышленных СУБД (MS SQL Server, Oracle, Sybase, Interbase) с реализацией клиентской части в одной из сред программирования высокого уровня (FoxPro, Delphi,Visual С, итп )

Мощные промышленные СУБД позволяют создавать большие БД со сложной структурой, обладают развитыми средствами управления данными, поддерж-

ки целостности данных и разграничения доступа Использование в качестве средства разработки одной или нескольких сред программирования высокого уровня позволяет создавать развитые программные средства, реализовать любые сложные алгоритмы обработки и т д Однако, и при данном подходе присутствует ряд значительных трудностей Весь функционал ИАС создается разработчиками с «нуля», что весьма трудоемко, дорогостояще и требует значительных временных затрат При недостаточной проработанности общей и функциональной архитектуры системы внесение последующих изменений и расширение функциональных возможностей за счет дописывания программного кода в основных модулях может привести к потере устойчивости работы системы и неожиданным технологическим ошибкам Поэтому для обеспечения надежности работы эти системы приходится делать монолитными Их дополнительная настройка становится весьма сложной задачей

Третий подход - использование промышленных СУБД и создание клиентских мест ИАС на основе специализированных комплексов, предоставляющих инструментарий для аналитической обработки данных Например, применение зарубежных систем Oracle Express Server, Microsoft OLAP Services, Hyperion Essbase Server или отечественных - ИНЭК Аналитик, PolyAnalyst, Прогноз Данные программные средства обеспечивают пользователя развитыми инструментами сложнейшей аналитической обработки, построения многомерных запросов, многовариантных расчетов, интеллектуального анализа данных и т п Но они недостаточно приспособлены для решения задач, требующих создания легко модифицируемых пользовательских интерфейсов, обработки и контроля информации Кроме того, они очень дорогостоящи, сложны в работе и сопровождении

Все это определяет необходимость создания программно-технологического инструментария, объединяющего в себе все лучшее, что могут дать различные подходы, в частности, наличие встроенных инструментов и настраиваемых шаблонов, гибкость интерфейсов, простоту и эффективность реализации функционала, использование промышленных СУБД

Следующий важный аспект, освещенный автором в третьем разделе, - это обзор и анализ существующих методов и систем поддержки принятия решений на основе знаний и многокритериальных оценок

Системы такого рода используются в процессе выработки и выбора окончательного решения на основе накопленных объективных данных, систем знаний о проблеме и (или) экспертных предпочтений аналитика или лица, принимающего решение Подобные системы позволяют ЛПР сочетать собственные субъективные предпочтения с компьютерным анализом ситуации при выработке рекомендаций в процессе принятия решения Еще одна особенность таких систем состоит в том, что они могут использовать (и, как правило, используют) результаты обработки данных других блоков систем (OLAP, DataMimng)

Работа подобных систем основана на методах теории принятия решений В работе рассмотрены наиболее известные и эффективные методики и алгоритмы, опирающиеся на различные разделы математического анализа, статистики, логики К ним относятся различные численных методы решения систем уравнений, статистические методы, методы ситуационного моделирования, методы нечеткой логики, методы многокритериального оценивания Они нашли свое отражение в различных системах принятия решений, таких как отечественные PolyAnalyst, Приоритет, ИНЭК, Прогноз или зарубежные - ExpertChoice, SASS Широко распространены методики когнитивного, дискретно-событийного и агентного моделирования, основанные на построении и оценке динамических имитационных моделей, программно реализованные в Matlab Simuhnk, SimProcess, AutoMod, отечественной AnyLogic

Однако, и в теории принятия решений, и в практической реализации СППР остается ряд открытых вопросов В частности, большая часть методик моделирования ориентирована на описание и оценку поведения сложных систем в целом, а не на решение множества возникающих разноплановых задач Рассмотренные программные системы реализуют лишь этап выбора решения из ряда существующих альтернатив (стратегий, вариантов) при отсутствии возможности их генерации Другой проблемой является ориентированность большинства СППР, в первую очередь, на решение финансово-экономических задач, тогда как решение задач принятия решения в области природопользования требует реализации ряда специфических для данной области методико-технологических возможностей Кроме того, подавляющая часть задач природопользования оперирует с данными, имеющими пространственную привязку, на принятие окончательного решения оказывают влияние географические факторы, объектами управления часто являются единицы территориального разбиения Для оперативного принятия решений необходимы быстрая интерпретация и отображение необходимой информации на электронных картах Все это требует от СППР поддержки пространственно-привязанных данных и связи с ГИС

В качестве наиболее применимой базовой методики многокритериального оценивания для решения задач принятия решений в природопользовании рассматривается метод анализа иерархий (МАИ), основанный на построении иерархии задачи «цель-критерии-альтернативы» и расчете локальных и обобщенных приоритетов на основе парных экспертных сравнений ее элементов Это связано с тем, что во многих задачах необходимо учитывать качественную экспертную информацию, которую легче всего задать посредством парных сравнений Кроме того, многие задачи управления природопользованием связаны с построением моделей, отражающих основные рассматриваемые факторы и процессы Такие модели представляют собой иерархические структуры, позволяющие выделить главные цели и задачи, и сосредоточить внимание на выработке мероприятий, способствующих достижению глобальной цели при различных способах описания исходной информации

Главным недостатком этого подхода является ограничение на количество требуемой экспертной информации, которая представляет собой множество оценок

предпочтительности, полученных в процессе парного сравнения альтернатив и критериев. Метод имеет ограничение на количество одновременно сравниваемых альтернатив (не рекомендуется больше 9). Это связано с установленным психологами фактом, что обычному человеку трудно осуществлять рациональный выбор, если число объектов выбора превышает 7 ± 2. Кроме того, в качестве недостатка данного метода можно отметить недостаточно эффективную методику оценки и исправления несогласованности в экспертных суждениях при большом числе парных сравнений.

Существуют дальнейшие развития и модификации метода МАИ, например, метод мультипликативной аналитической иерархии (Lootsma FA., 1993), метод MACBETH (Bana e Costa С.А, 1994), метод решающих матриц (Поспелов Г.С., 1976), ряд других работ. Однако, они не снимают существенных ограничений метода, препятствующих его более эффективному применению в сфере управления природопользованием. Реализация СППР требует проработки и модернизации части алгоритмов.

На основании изучения и анализа опыта создания информационно-аналитических систем для различных приложений в работе обоснована необходимость нового методико-технологического подхода к построению прикладных информационных систем поддержки принятия решений в области управления природопользованием, основанного на применении инструментальной среды разработки, развитии СППР-технологий и сочетании возможностей современных СУБД и ГИС.

Среда разработки прикладных ИАС должна обладать встроенным инструментарием для создания гибких и модифицируемых интерфейсов, формирования параметрических и многомерных запросов, отображения результатов средствами деловой графики, выдачи оперативной и регламентной отчетности, встраивания в систему созданных ранее в различных средах программирования пакетов и библиотек функций, обработки и анализа экспертных предпочтений.

Таким образом, на основе результатов обзора и анализа современного состояния и проблем создания информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности обоснована актуальность создания инструментальной среды разработки ИАС поддержки принятия решений в природопользовании и сформулированы основные требования к ней.

Глава 2. Разработка методического и математического обеспечения систем поддержки принятия решений в слабоструктурированных задачах планирования, прогнозирования и управления.

Вторая глава диссертации посвящена разработке новых методических и математических подходов к компьютерной поддержке принятия решений в природопользовании на этапах анализа слабоструктурированных задач, их формализации, генерации возможных альтернатив решения, оценки и выбора лучшего варианта решения.

Математическое обеспечение системы поддержки принятия решений, разработанное автором, представляет собой развитие иерархического подхода к анализу слабоструктурированных данных.

Первый раздел посвящен описанию, исследованию и разработке вычислительных алгоритмов в рамках метода анализа иерархий (МАИ). Описаны результаты исследований автора, которые позволили модифицировать МАИ для снятия ограничений метода в части совместной обработки объективной и субъективной (экспертной) информации.

Алгоритм расчета локальных приоритетов по абсолютным значениям предназначен для использования в расчете локальных приоритетов числовых значений критериев, которые могут быть как положительными, так и отрицательными, и равными нулю; реализации возможности учета обратной зависимости влияния критериев на цель; вычисления глобальных приоритетов альтернатив путем расчета локальных приоритетов как по матрицам предпочтений, так и по реальным числовым значениям. Данный алгоритм снимает ограничения на использование числовых значений критериев наряду с субъективными экспертными оценками.

Рассмотрим случай, когда разброс сравниваемых значений не превышает одного порядка, или прямое сравнение данных значений примерно соответствует шкале относительной важности МАИ. Данный алгоритм позволяет пользователю выбрать способ расчета локальных приоритетов на основе анализа значений. Если более предпочтительным считается максимальное возможное значение, то расчет локальных приоритетов производится по следующей формуле

где - значение того критерия для того объекта, - неположительный

минимум значения того критерия, среди всех обрабатываемых альтернатив.

В обратном случае (более предпочтительным считается минимальное возможное значение) должна использоваться формула:

Теперь рассмотрим случай большого размаха числовых значений, или когда для указания различимости альтернатив по какому-то критерию недостаточно прямого сравнивания их числовых значений, автором предлагается следующий подход для расчета локальных приоритетов. На первом этапе все множество числовых значений альтернатив по данному критерию разбивается на ряд интервалов. Далее каждому интервалу приписывается числовое положительное значение (ранг) (для полной совместимости с методикой МАИ рекомендуется использовать шкалу относительной важности). Расчет локальных приоритетов производится по следующей формуле:

К = 1 /К + (-т1п*+'))/ Е1 '(ч, + (- т'п*+0) ■■

где Я/у - ранг интервала, соответствующего числовому значению у'-той альтернативы по Л-тому критерию.

Соответственно, расчет иерархии заключается в следующем: если глубина (количество уровней) иерархии Н, то до Н-1 уровня включительно расчет локальных и глобальных приоритетов происходит так, как это предусмотрено МАИ. Для расчета локальных приоритетов каждой альтернативы относительно критериев Н-го уровня используются абсолютные числовые значения этих критериев. При расчете используются вышеприведенные формулы.

Во втором разделе автором рассматривается вопрос оценки согласованности экспертных суждений при парных сравнениях.

Одной из мер оценки влияния величины случайной ошибки в суждениях и степени компетентности эксперта является нарушение согласованности между суждениями. Нарушение числовой согласованности предполагает нарушение связи между суждениями об объектах вида где а- числовая интерпретация сравнения г-того и _/-того критерия, то есть элемент матрицы предпочтений. Более сильные формы несогласованности предполагают, например, нарушение транзитивности - 1, 1, 1. Как показано в работах различных исследователях, оценка степени согласованности во многом определяет степень доверия результату.

Алгоритм расчета отношения согласованности. Автором проведены исследования метода оценки согласованности (метода 10%-ного отсеивания), основанного на величине так называемого индекса согласованности

где - размерность рассматриваемой матрицы предпочтений, главное соб-

ственное значение матрицы. Индекс согласованности рассматривается как показатель удовлетворения субъективными суждениями (то есть применимости метода). Чтобы учесть размерность матрицы, введено понятие отношения согласованности (ОС), которое представляет собой отношение подсчитанного индекса согласованности к случайному индексу согласованности /М> для данной размерности. Если отношение согласованности превышает значение 0.1, то пользователю рекомендуется пересмотреть свои суждения относительно данной матрицы предпочтений.

Результаты проведенных исследований позволили автору получить методику автоматического расчета оценки согласованности, исходя из начальных значений матрицы предпочтений:

где - значение соответствующего случайного индекса согласованности.

Метод 10%-ного отсеивания, основанный на определении отношения согласованности, достаточно хорошо зарекомендовал себя на практике для определения степени удовлетворения суждениями, но не позволяет выявить конкретные нарушения согласованности экспертных суждений.

При большом числе сравниваемых объектов трудно определить несогласованные «тройки» объектов, то есть такие или - соответствующий элемент матрицы предпочтений. Для этого случая автором разработана процедура анализа несогласованности объектов «по тройкам», с возможностью оценки степени несогласованности каждой тройки.

Алгоритм оценки согласованности «по тройкам». Рассмотрим произвольную матрицу предпочтений объект, участвующий в формировании матрицы предпочтений, то процесс задания суждений можно определить следующим образом: для каждого задается сравнение того объектов, ще/ пробегает значения от ¡'+1 до п. Из описания метода задания ясно, что существует один объект который сравнивается с каждым из остальных объектов. Если рассмотреть матрицу предпочтений А с учетом того, что задается только верхняя часть матрицы, то сравнениям объекта О\ с другими объектами соответствует первая строчка матрицы предпочтений.

Назовем объект О\ базовым. Рассмотрим произвольную тройку объектов О], В случае согласованности этой тройки объектов имеем: или

а\,1а\1=а11. Если же тройка объектов несогласована, то мерой несогласованности может служить отношение показывающее, во сколько раз ожидаемое значение сравнений объектов отличается от заданного ЛПР. Если одна из сравниваемых величин больше единицы, а другая меньше, то это указывает на нарушение более жесткой несогласованности, т.е. ожидалось, что, например, /-тый объект будет предпочтительнее у-гого, ЛПР же задал предпочтение /-того объекта /'-тому.

Из всего выше сказанного вытекает метод определения несогласованности матрицы предпочтений «по тройкам»:

1. Определение базового объекта.

2. Вычисление значения ¡=1..п,у = / + 1 ..п.

3. Расчет относительной несогласованности (О Н) тройки 0\, 0„ 0] по формуле:

О Н = (а\,/а11)/а1„ если (а\,1а\1)>=ал, или

Разработанные автором алгоритмы реализованы в СППР «Эксперт».

Глава 3. Создание специализированной технологической среды разработки прикладных информационно-аналитических систем поддержки принятия решений.

В третьей главе рассмотрена программная архитектура, а также функциональные и технологические возможности созданной специализированной инструментальной среды для разработки прикладных информационно-аналитических систем.

В целях проектирования функционала и разработки программной архитектуры инструментальной среды в работе рассмотрены основные задачи и функции,

реализуемые в различных приложениях информационно-аналитических систем, различающихся предметной направленностью и ориентацией на различные структуры данных Их можно объединить в следующие группы

- работа с детализированными данными,

- решение информационно-поисковых задач,

- решение вычислительно-аналитических задач,

- генерация и печать отчетности,

- работа с неструктурированными данными (файлами электронных документов),

- работа с пространственно-привязанными данными,

- решение слабоструктурированных задач на основе анализа экспертных суждений

В соответствии с ними в ИАС-среде выделены специальные программные компоненты, реализующие элементы конкретной прикладной системы, каждый из которых предназначен для решения какой-либо из групп задач (рис 1) Элементами ИАС являются экранные формы для работы с данными, запросы к базе данных, многомерные кубы данных, средства деловой графики, электронные формы отчетов, специализированные расширения для решения предметных задач, внешние программные приложения, ГИС-проекты, СППР-проекты

Рис 1 Обобщенная схема использования инструментальной среды разработки ИАС

В последних четырех категориях функциональных элементов автором реализованы механизмы расширения возможностей посредством включения в структуру создаваемой ИАС внешних программных продуктов. При этом могут использоваться как любые готовые комплексы (ГИС, СППР и т.п.), так и разработанные в любых средах программирования дополнительные программные модули.

Визуальная среда разработки содержит специальные редакторы и мастера (интерфейсные средства), которые позволяют пользователю строить программные приложения ИАС путем добавления и настройки элементов, без применения программирования.

В разработанной инструментальной среде используются любые промышленные СУБД, соответствующие общепринятому стандарту SQL 92 (в настоящее время - преимущественно MS SQL Server 2000). В базе данных хранятся основные предметные данные (соответствующие решаемым ИАС задачам), а также специализированные данные - метаданные (описание данных, используемое системой) и описания элементов ИАС. Ниже представлена схема программной архитектуры инструментальной среды (рис. 2).

Рис. 2. Схема программной архитектуры инструментальной среды

Собственно программное ядро среды, располагающееся на клиентском компьютере, содержит модули, отвечающие за настройку параметров ИАС (настройку на БД, многопользовательский доступ), редакторы и интерпретаторы элементов.

Сервер БД

ten Клиектсие^нложенив^

При помощи полностью визуальных редакторов и мастеров, пользователь может сформировать готовый программный элемент ИАС, который интерпретируется во внутренний формат описаний, и загружается в базу данных. Когда пользователь работает с созданными элементами, модули-интерпретаторы, на основании хранящихся в БД специализированных данных, формируют элементы ИАС уже как часть конкретной программной реализации.

Многозвенная архитектура, являющаяся шагом вперед по сравнению с традиционной архитектурой клиент - сервер, определяет более развитый и гибкий подход к реализации доступа к ресурсам удаленных серверов, в том числе, ориентированный на использование Internet/Intranet технологий. Сервер приложений обеспечивает доступ к данным серверов БД, обработку таких данных, создание на основе описаний элементов их реализаций как компонентов Web, передачу обработанных данных пользовательскому приложению посредством Internet/Intranet, при этом в качестве клиентских приложений могут выступать Web-броузеры.

Элементы ИАС группируются по смысловой и функциональной нагрузке внутри системы в иерархическом виде, по аналогии с деревом каталогов и файлов.

Таким образом, основной особенностью реализованного технологического подхода состоит в том, что база данных является хранилищем не только информационных и оперативных данных, а также бизнес-правил, но и клиентского функционала ИАС.

Данный подход имеет ряд достоинств, среди которых можно выделить следующие:

1. Иерархическое представление элементов ИАС позволяет реализовать гибкие функциональные структуры, то есть в зависимости от специфики решаемых задач создавать любое необходимое количество элементов, группируя их по любому необходимому признаку.

2. Универсальность использования каждого элемента ИАС для построения как Windows-, так и Internet-приложений.

3. Ядро системы содержит только служебные модули (редакторы и интерпретаторы), что обеспечивает экономию ресурсов оперативной и постоянной памяти компьютера-клиента (каждый из элементов ИАС загружается из БД в оперативную память клиента только при открытии этого элемента, и сразу выгружается из памяти при закрытии).

4. Хранение описаний элементов ИАС на сервере баз данных позволяет упростить многопользовательский доступ к функционалу ИАС и облегчает настройку, унификацию и сопровождение.

Во втором разделе данной главы автор рассматривает особенности реализации многопользовательского доступа и основанного на нем подхода к унификации пользовательского интерфейса системы.

В системе обеспечивается распределение доступа к информации, в соответствии с которым все пользователи ИАС разделяются на три основные группы: администратор системы, привилегированный пользователь, пользователь. После ус-

пешной авторизации пользователя система определяет его категорию и права доступа (эта информация также хранится в базе данных на сервере), и в структуру, отображаемую в обозревателе, добавляет только те элементы, к которым у этого пользователя есть права доступа. Таким образом, обеспечивается настройка системы под конкретного пользователя при унифицированной программной реализации ИАС.

Добавления и изменения элементов ИАС фиксируются в базе данных на сервере и сразу становятся доступными для общего использования, что максимально упрощает сопровождение и развитие системы.

Третий раздел данной главы посвящен описанию технологических особенностей реализации элементов ИАС в инструментальной среде.

Экранные формы. В качестве средства, обеспечивающего поддержку работы пользователей с информацией, используются экранные формы. Каждая экранная форма представляет собой окно ОС Windows, содержащее ряд инструментов для работы с данными.

Разработанные инструменты являются развитием широко известной разработчикам программных систем библиотеки VCL (Visual Component Library) фирмы Borland. Компоненты из этой библиотеки доработаны таким образом, чтобы обеспечить пользователям ИАС полный спектр возможностей работы с данными. В частности, усовершенствованы компоненты доступа и управления данными в части оптимизации доступа к базе, автоматизации отношений «master-detail», сложных каскадных изменений со стороны клиента. Кроме того, создан ряд дополнительных компонентов на основе существующих, которые выполняют развернутые функции работы с данными (поиск по задаваемым параметрам, вызов функций аналитической обработки, и т.д.). Реализованы также связанные формы (содержащие информацию, связанную с выбранной записью в БД), и формы для внесения (редактирования) информации по текущей записи.

Запросы. Запросы составляют основу для выполнения информационно-справочных и аналитических функций, построения диаграмм и отчетов. Фактически они представляют собой SQL-выражение, отрабатывающее при вызове запроса и формирующее в результате некий набор данных из базы.

Для формировании данного выражения пользователь, в зависимости от своих знаний SQL и структуры базы данных, может воспользоваться различными способами, предлагаемыми инструментальной средой. Самые опытные пользователи могут набрать его в виде собственно выражения на языке SQL, менее опытные могут воспользоваться мастером запросов, который позволяет формировать запрос в полуавтоматическом режиме (выбрать источник данных, необходимые поля, наложить на их значения условия и фильтры отбора). При этом, пользователи, владеющие предметной областью, но не владеющие знаниями структуры базы данных, могут формировать запрос на языке предметной области (с использованием метаданных), а система сама проинтерпретирует их запрос на собственно физические объекты БД, и сформирует SQL-выражение.

В случае сложных запросов можно воспользоваться мастером, который работает уже собственно с физическими объектами БД, и позволяет формировать соединение таблиц по набору полей, агрегацию данных, и т.п.

Диаграммы. В качестве инструмента для проведения анализа данных используются средства графического отображения данных в виде диаграмм. Элемент «Диаграмма» может включать в себя несколько серий, каждая из которых является графическим отображением результата конкретного запроса. В диаграммах присутствует ряд инструментов, предназначенных для проведения аналитической работы с данными, включая наложение дополнительных условий, группирование данных, а также проведение многомерных аналитических «срезов» по каждому запросу.

Кроме того, существует ряд инструментов для статистического анализа данных (применяется для серий линейных графиков), в частности:

- расчет максимального, минимального и среднего значения для указанных серий;

- интерполяция значений - все линейные серии, представленные в диаграмме интерполируются на единую сеть;

- построение порогов отсечения для выбранных серий. Порог отсечения задается величиной (т + 3 * s) И (т — 3 * s), где т - среднее, as - среднее квадратичное отклонение значений серии;

- расчет коэффициента корреляции для двух выбранных серий;

- поиск точек пересечений выбранных серий.

Отчеты. При разработке инструментария для формирования и печати отчетной информации учитывалась необходимость создания как статической регламентной отчетности, так и построения динамических отчетов с возможностью редактирования структуры и наполнения отчетов данными. Поэтому в инструментальной среде реализовано два основных подхода к созданию отчетов.

Первый подход основан на использовании генератора отчетов Quick Report, входящего в состав Borland, и ориентирован на специалистов высокого уровня подготовки. Созданные в Quick Report шаблоны подключаются в структуру элементов НАС, и система на их основе автоматически создает уже готовые отчетные формы. Этот подход выгоден при работе с регламентной и производственной отчетностью, когда нет необходимости редактировать данные, загружаемые в отчет из БД, а шаблон утвержден и редко меняется.

Второй подход более гибок и основан на использовании Excel. Созданный в Excel шаблон подключается в структуру элементов ИАС (при этом указывается, на основании какого из существующих запросов строится отчет) и в соответствии с ним система формирует соответствующий файл, который уже заполнен данными, может быть отредактирован и выведен на печать.

Электронные документы. Среда разработки позволяет хранить (с возможностью многопользовательского доступа) любые документы, имеющие информационную ценность для пользователей ИАС. Файл электронного документа может быть

подключен в структуру функциональных элементов, при этом, он помещается в БД на сервер. На элемент, отвечающий за его загрузку и открытие на клиентском компьютере, распространяются все правила разграничения доступа, описанные ранее.

Внешние программные элементы. Для решения сложных алгоритмов специализированных задач обработки и анализа данных ИАС-среда предоставляет возможность расширения функционала создаваемой системы за счет использования внешнего программного обеспечения. При помощи визуальных редакторов пользователь может настроить параметры использования внешней программы, которые также переводятся во внутренний формат и загружаются в базу данных. Данная привязка отражается в виде элемента иерархической структуры и может использоваться пользователями как полноценный функциональный элемент в составе ИАС. Для расширения функционала ИАС могут использоваться любые внешние программные системы (аналитические комплексы, ГИС-системы и т.п.).

Расширения для решения предметных задач. Специфичные для конкретной предметной области алгоритмы, которые нельзя реализовать при помощи описанных выше средств, можно реализовать в среде программирования высокого уровня. Внутренняя архитектура ядра и специальный стандарт, ориентированный на разработчика-программиста, позволяют создавать в различных средах программирования библиотеки функций, которые можно встраивать в систему без необходимости изменения ее исходных программных кодов и пересборки запускаемых файлов. Данная возможность позволяет реализовать функционал любой сложности, никак не влияя на общую надежность и быстроту работы системы.

СППР-проекты. Эта категория элементов ИАС используется для анализа слабоструктурированных задач, их формализации, генерации возможных альтернатив решения, их оценки и выбора лучшего. Элементы реализуются на основе разработанного блока СППР «Эксперт», реализующего алгоритмические разработки, описанные в главе 2.

Разработанный блок СППР обладает следующими функциональными особенностями:

- графический интерфейс построения модели задач, задания экспертных оценок в качественном и числовом виде;

- возможность анализа данных на предмет согласованности и достоверности, наличие инструментов исправления несогласованности;

- объединение независимых экспертных суждений, достижение консенсуса;

- расчет обобщенных приоритетов критериев и альтернатив;

- определение предпочтительности альтернатив по отдельным критериям;

- ранжирование альтернатив по обобщенной предпочтительности;

- оценка чувствительности результата к изменению входных данных и экспертных предпочтений;

- возможность подключения и обработки информации из ГИС;

- возможность импорта результирующих данных в ГИС, их анализ и интерпретация в рамках пространственно-привязанной информации. Разработанные программно-технологические средства СППР обеспечивают задание иерархии факторов, экспертных предпочтений, комплексный анализ накопленной информации, расчет и оценку возможных альтернатив решений, анализ чувствительности принимаемого решения, динамический обмен данными с ГИС.

К достоинствам СППР «Эксперт» можно отнести возможность численного, вербального и графического задания предпочтений при проведении парных сравнений элементов иерархии, а также абсолютных весов элементов, оценку согласованности входных данных и средства исправления несогласованных суждений с помощью процедуры согласования предпочтений, высказанных разными экспертами.

Связь с ГИС-проектами. Разработанный технологический механизм позволяет устанавливать связь элементов ИАС с ГИС-проектами на уровнях обмена исходными и расчетными данными, произведения необходимых расчетных настроек алгоритмов обработки данных. В качестве ГИС-системы может быть использована ГИС «Интегро» или ГИС «ArcView». Автором разработаны программные процедуры, реализующие обмен данными между ИАС и ГИС в соответствии с установленной привязкой. Обеспечиваются следующие технологические возможности:

- установка соответствия модели данных картографическому проекту в ГИС, при этом указывается соответствие сущностей БД (таблиц, видов, запросов) элементам проекта (видам, темам, объектам, ячейкам регулярных сетей);

- передача результатов ГИС-обработки в другие блоки системы в качестве исходных данных (например, множество значений показателя, соответствующего значениям некоторого пространственно-привязанного свойства);

- передача рассчитанных в аналитическом блоке ИАС значений в качестве параметров для расчетных процедур в ГИС (например, в качестве весов свойств для расчета меры сходства по ячейкам регулярной сети).

Таким образом, программная архитектура, а также унифицированная инструментальная среда для разработки прикладных ИАС обеспечивают оперативное конструирование, широкий функционал и легкую модифицируемость системы.

Глава 4. Апробация разработок при создании информационно-аналитических систем в области мониторинга и управления природопользованием.

Четвертая глава диссертации посвящена описанию результатов апробации разработок при создании информационно-аналитических систем и решения задач поддержки принятия управленческих решений в природопользовании и муниципальном управлении.

Задача по проблеме строительства моста в районе г. Дубны. Работа над проектом велась по заказу мэрии г. Дубны с использованием разработанной СППР «Эксперт».

В качестве альтернатив в данной задаче рассматривались:

- Использование существующего моста в г. Кимры. В данном случае для переправы в районе г. Дубны используется плотина Иваньковской ГЭС.

- Строительство нового моста в районе г. Дубны.

Эти альтернативы рассматривались в разрезе административных, социальных, экономических и экологических факторов. На основе исходных данных описательного характера, предоставленных специалистами Департамента капитального строительства и ремонта администрации г. Дубны, была построена и согласована иерархия данной задачи. Далее в результате анкетирования специалистов были заданы экспертные предпочтения, которые были проверены и согласованы при помощи алгоритмов оценки согласованности, разработанных автором.

Подробный анализ результатов расчета локальных и обобщенных приоритетов, полученных в СППР, показал, что в целом предложение по строительству нового моста в Дубне оказалось значительно предпочтительнее, чем использование моста в Кимрах. Выгоды, обеспечиваемые строительством моста, значительно перекрывают издержки, связанные с этим проектом.

Решение задач оперативного управления недропользованием в Ситуационном центре МПР России. Блок СППР «Эксперт» применяется для решения различных задач управления природопользованием в Ситуационном Центре Министерства природных ресурсов РФ. Описан один из информационных проектов, реализованных при помощи данной СППР, а именно формализация процедуры принятия решений при конкурсной системе предоставления недр. Целью решения задачи является выбор из множества компаний-участников конкурса - наиболее предпочтительной для получения лицензии на освоение месторождения. Критерии, которые позволяют комиссии оценить участников, представлены в условиях конкурса, их значения содержатся в материалах, предоставляемых компаниями-участниками. Критерии разделяются на две группы: ожидаемые от компании доходы и технико-экономические показатели компании. К первой группе относятся ожидаемые налоги и возможный бонус. Ко второй группе относятся: объемы работ и финансирования геологического изучения, объемы работ и финансирования доразведки, сроки ввода в разработку новых залежей, сроки утверждения проектных документов по разработке, сроки начала добычи, режим залежи, объекты и варианты размещения, схема размещения скважин, технология бурения и тампонажа скважин, график работ, затраты, обустройство и внешний транспорт.

Функциями пользователя-эксперта является определение критериев и экспертная оценка их значимости.

СППР обеспечивает оценку согласованности экспертных данных и расчет обобщенного приоритета для каждого участника конкурса с использованием разработанных алгоритмов, в частности, алгоритма обработки абсолютных числовых значений.

В результате расчета средствами СППР формируется ранжированный ряд компаний-участников по степени предпочтительности получения лицензии на недропользование на указанном участке территории. Анализ результатов обработки конкурсных данных в СППР позволяет ЛПР:

- сравнить компании по отдельным критериям;

- оценить устойчивость результатов к изменению конкурсных предложений;

- промоделировать результаты решения при изменении экспертных оценок. Разработка первой очереди информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр РФ. Для ввода, хранения, обработки и анализа данных государственного мониторинга состояния недр ГНЦ РФ ВНИИгеосистем по заказу Министерства природных ресурсов РФ ведется разработка информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр (ИАС ГМСН).

На базе созданной автором инструментальной среды длчразработки ИАС создано программно-технологическое обеспечение первой очереди ИАС ГМСН по подсистемам мониторинга подземных вод (ПВ) и опасных экзогенных геологических процессов (ЭГП). Разработана технологическая основа ведения мониторинга по первоочередным подсистемам ГМСН в автоматизированном режиме на федеральном уровне, которая обеспечивает:

- ввод и редактирование паспортов объектов мониторинга (месторождений подземных вод, водозаборов, проявлений ЭГП, и т.д.) и ведение кадастрового учета;

- проведение аналитических запросов и выдачу отчетных форм;

- статистический анализ данных режимных наблюдений за состоянием подземных вод;

- расчет состава и оценку качества подземных вод;

- обобщение данных мониторинга территориального уровня и др.

Первая очередь ИАС ГМСН апробирована в Государственном центре «Геомониторинг» МПР России на данных мониторинга подземных вод по Центральному федеральному округу.

Разработка подсистемы «Подземные воды» Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Другим примером использования разработанной автором инструментальной среды является создание информационно-аналитической подсистемы мониторинга подземных вод в составе Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Данная подсистема предназначена для обеспечения эффективного управления и рационального использования подземных вод на республиканском и территориальном уровнях. Работы выполнялись по заказу и совместно со специалистами Комитета геологии и недропользования РК.

Создано программное обеспечение клиентского места пользователя подсистемы «Мониторинг подземных вод», рабочее место ГИС с использованием данных

центральной БД для формирования дежурных и тематических карт. Обеспечивается динамическая связь БД с ГИС-оболочкой, позволяющая производить оперативную визуализацию объектов мониторинга на карте и просмотр информации по объектам мониторинга, содержащимся в базе данных; картографическое представление основных показателей по этим объектам, их агрегирование на различных масштабных уровнях. Кроме того, системой обеспечивается автоматизированное формирование и подготовка к печати дежурных отчетов и тематических карт по основным направлениям мониторинга.

Система внедрена и функционирует в Комитете геологии и недропользования и территориальных управлениях геологической информации Республики Казахстан.

Результаты апробации разработок при создании информационно-аналитических систем и решении задач в области муниципального управления и природопользования позволяют подтвердить практическую значимость разработанного математического и программно-технологического обеспечения.

Заключение

В результате исследований разработано аналитическое и программно-технологическое обеспечение создания прикладных информационно-аналитических систем поддержки принятия управленческих решений в природопользовании. Получены следующие результаты:

1. Предложен новый методико-технологический подход к построению прикладных информационно-аналитических систем в области управления природопользованием, основанный на сочетании возможностей современных СУБД, ГИС, СППР и применении инструментальной среды для разработки системы.

2. Реализована инструментальная среда для разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия решений, обеспечивающая конструирование клиентских мест системы путем настройки специальных программных компонентов.

3. Разработано алгоритмическое обеспечение, являющееся развитием метода анализа иерархий в части обработки объективной и субъективной информации, оценки согласованности экспертных суждений.

4. Создано программное обеспечение СППР, реализующее задание иерархии факторов и экспертных предпочтений, комплексный анализ накопленной информации, расчет и оценку возможных альтернатив решений, анализ чувствительности принимаемого решения.

Основные положения диссертационной работы изложены в опубликовании! работ»»:

1. Аракчеев Д.Б. Компьютерная система поддержки принятия решений «Эксперт» //Геоинформатика, №2,2001, с.33-37.

2. Аракчеев Д.Б. Использование ГИС и Ci 11 IP-технологий для аналитической поддержки принятия управленческих решений. XXIX Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе», осенняя сессия. Труды конференции. Гурзуф, 2002, с. 149-151.

3. Аракчеев Д.Б. Использование СППР «Эксперт» совместно с ArcGIS для поддержки принятия управленческих решений //ArcReview, №4,2002, с. 19.

4. Аракчеев Д.Б. Разработка СППР-технологий для аналитической поддержки принятия управленческих решений в природопользовании //Геоинформатика, №2, 2003, с.24-28.

5. Аракчеев Д.Б., Митракова О.В. Информационная поддержка принятия управленческих решений для обеспечения рационального природопользования. XXX Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе», весенняя сессия. Труды конференции. Гурзуф,

2003, с. 371.

6. Аракчеев Д.Б. Использование ГИС «Интегро» и СППР «Эксперт» для аналитической поддержки принятия управленческих решений //Информация и космос, №1-2,2003, с. 23-28.

7. Аракчеев Д.Б. Средства компьютерной поддержки принятия управленческих решений в задачах экологического анализа. Международная конференция «Математическое моделирование природных экосистем». Труды конференции. Казахстан, Алматы, 2003, с. 154.

8. Аракчеев Д.Б., Чесалов J1.E. Автоматизированное построение моделей задач в целях поддержки принятия управленческих решений в природопользовании. XXXI Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникациях и бизнесе», весенняя сессия. Труды конференции. Гурзуф,

2004, с.354.

9. Аракчеев Д.Б. Программно-инструментальные средства для разработки информационно-аналитических систем //Геоинформатика № 2,2004, с. 37-45.

Подписано в печать 18.04.2005 г. Заказ 4. Тираж 100 экз. 117105, Москва, Варшавское шоссе, 8. ВНИИгеосистем

DSM-

í

S-: -lu

M :

\ -s' : ?

Vt y 274

' 3 Miii 2005

Введение.

Глава 1. Обзор и анализ программно-технологических средств и методик, применяемых при проектировании и разработке информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

1.1. Современное состояние и проблемы создания информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

1.2. Обзор подходов и программно-технологического инструментария для создания компьютерных систем.

1.2.1. Хранилища данных.

1.2.2. OLAP-средства.

1.2.3. Средства интеллектуальной добычи данных.

1.2.4. Инструменты для выполнения пользовательских запросов и построения отчетов.

1.2.5. Системы поддержки принятия решений на основе знаний и многокритериальных оценок.

1.3. Обзор и анализ существующего методического и технологического обеспечения создания и применения систем поддержки принятия решений на основе знаний и многокритериальных оценок.

1.3.1. Использование нечеткой логики для оценки возможных решений.

1.3.2. Методы многокритериальной оценки возможных решений.

1.4. Требования к разработке математического и программно-технологического обеспечения среды разработки

• информационно-аналитических систем поддержки принятия решений в природопользовании.

Глава 2. Разработка методического и математического обеспечения систем поддержки принятия решений в слабоструктурированных задачах планирования, прогнозирования и управления.

2.1. Общее описание метода анализа иерархий.

2.2. Исследование и модернизация алгоритмов МАИ.

2.2.1. Алгоритм расчета локальных приоритетов.

2.2.2. Иерархии и синтез обобщенных приоритетов.

2.2.3. Алгоритм расчета локальных приоритетов по абсолютным значениям.

2.3. Исследование и разработка методов оценки согласованности суждений.

2.2.1. Алгоритм вычисления отношения согласованности.

2.2.2. Алгоритм оценки согласованности «по тройкам».

Глава 3. Создание специализированной технологической среды для конструирования информационно-аналитических систем поддержки принятия решений.

3.1. Особенности реализации программной архитектуры.

3.2. Реализация многопользовательского доступа и унификация пользовательского интерфейса.

3.3. Особенности реализации инструментария для формирования элементов ИАС.

Глава 4. Апробация разработок при создании информационно-аналитических систем в области мониторинга и управления природопользованием.

4.1. Задача по проблеме строительства моста в районе г. Дубны

4.2. Решение задач оперативного управления недропользованием в Ситуационном центре МПР России.

4.3. Разработка первой очереди информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр РФ.

4.4. Разработка подсистемы "Подземные воды" Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан.

Целевым назначением информационно-аналитических систем (ИАС) в области управления природопользованием является оперативная информационная поддержка принятия решений в основных сферах управленческой деятельности. Несмотря на то, что направление разработки аналитического программного обеспечения активно развивается как в нашей стране, так и за рубежом, в области разработки и внедрения систем поддержки принятия решений в природопользовании остается множество проблем и сложностей. Принятие обоснованных управленческих решений в данной сфере требует эффективного хранения, оперативного доступа, а также полного и всестороннего анализа огромного объема разноплановой (ресурсной, экономической, социальной, экологической и т.п.) и разнородной (числовой, пространственно-привязанной) информации об обстановке, складывающейся в регионе [1, 13, 19, 26, 31, 34, 48, 51, 54]. Кроме того, для данной области характерны свойства слабой структурированности (наличия качественных факторов и невозможности использования количественных формальных моделей анализа), наличия неопределенностей (неопределенных или недостоверно известных факторов) а также быстрого изменения внешней среды. В связи с этим комплекс информационно-аналитических систем в области мониторинга и управления природными ресурсами должен содержать средства организации и управления базами данных (СУБД), средства представления данных, средства многофункционального анализа и моделирования, геоинформационные системы (ГИС), а также средства систем поддержки принятия решений (СППР) [3 - 10, 27, 41, 53].

Современные СППР в области природопользования должны обеспечивать удобный пользовательский интерфейс, ориентированный на построение моделей развития ситуаций с учетом природных, техногенных, социально-экономических и других факторов, задание содержательных весов и градаций целевых функций, обеспечение динамического обмена данными для представления и анализа картографической информации в ГИС, проведение комплексного анализа накопленной информации. Другой важной функцией СППР является автоматический анализ экспертных суждений на результирующем этапе принятия управленческих решений при выборе из нескольких полученных системой альтернативных вариантов. Система должна помочь оценить возможные альтернативы решения с точки зрения цели задачи, ответить на вопросы: «а что будет, если», оценить чувствительность принимаемого решения к изменению объективных и субъективных составляющих.

Проблемы создания информационно-аналитических систем поддержки принятия решений связаны также с отсутствием специализированной программной среды разработки, т.е. средств, приспособленных для создания модифицируемых пользовательских интерфейсов, обработки и контроля детализированной информации, гибкой и эффективной настройки системы на конкретные информационно-справочные и аналитические функции.

Таким образом, для обеспечения информационно-аналитической поддержки рационального природопользования актуальным является разработка методов структурного анализа разнородной информации и специализированных программно-технологических средств, которые реализуют инструментальную основу построения ИАС и позволят осуществить эффективную поддержку принятия управленческих решений. Целью данной работы является разработка методов и программно-технологических средств создания прикладных информационно-аналитических систем для поддержки принятия управленческих решений в природопользовании.

Основными задачами работы явились:

1. Обзор и анализ программно-технологических средств и методик, применяемых при проектировании и разработке информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

2. Разработка математического и программно-технологического обеспечения поддержки принятия решений в слабоструктурированных задачах планирования, прогнозирования и управления.

3. Создание специализированной инструментальной среды разработки прикладных информационно-аналитических систем.

4. Апробация разработок при создании информационно-аналитических систем в области мониторинга недр и управления природопользованием.

К научной новизне можно отнести следующие результаты:

1. Предложен новый методико-технологический подход к построению информационно-аналитических систем в области управления природопользованием, основанный на сочетании возможностей современных СУБД, ГИС и СППР в единой среде.

2. Впервые разработаны алгоритмы расчета локальных приоритетов по абсолютным значениям, расчета отношения согласованности, оценки согласованности экспертных суждений «по тройкам».

3. Создана инструментальная программно-технологическая среда разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия решений, обеспечивающая конструирование клиентских мест системы путем настройки специальных программных компонентов.

В работе защищаются следующие положения:

1. Разработанное математическое и программно-технологическое обеспечение СППР «Эксперт» обеспечивает задание иерархии критериев и факторов, задание экспертных предпочтений, оценку и исправление несогласованности, расчет локальных и обобщенных приоритетов, комплексный анализ принимаемого решения.

2. Предложенный методико-технологический подход, основанный на развитии современных информационных технологий, позволяет обосновать программную архитектуру и обеспечивает реализацию инструментальной среды конструирования ИАС, применяемых для поддержки принятия управленческих решений.

3. Созданная инструментальная среда разработки ИАС обеспечивает оперативное конструирование и эффективное функционирование системы за счет: конструирования клиентских мест системы без программирования, путем настройки специальных программных компонентов модифицируемости интерфейса на основе визуальных редакторов и мастеров гибкой и эффективной настройки на конкретные справочные и аналитические функции, функции формирования и представления результатов запросов и отчетов динамического обмена данными с ГИС

Практическая значимость проведенных исследований состоит в разработке программно-технологических средств, обеспечивающих эффективное создание прикладных информационно-аналитических систем, включающих блок поддержки принятия решений на этапе оценки ситуации, выявлении предпочтений, генерации вариантов решений и выборе лучшей альтернативы.

• На базе разработанных автором подхода, математических и программно-технологических средств создана первая очередь информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр Российской Федерации (ИАС ГМСН), реализована подсистема "Подземные воды" Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Разработанная СППР применяется в Ситуационном центре МПР России. Основные результаты работы докладывались на XXIX - XXXI сессиях Международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании и бизнесе» (Гурзуф, 2002 - 2004 гг.), Семинаре «Использование ГИС для управления территориями, городами, предприятиями" (Анапа, 2002 г), Международной конференции «Математическое

• моделирование природных экосистем» (Казахстан, Алмата, 2003 г.).

Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных автором в 2000 - 2004 гг.

Основные теоретические, методические и технологические результаты получены непосредственно автором. По результатам выполненных исследований опубликовано девять печатных работ.

Автором обоснованы основные методические и технологические решения, обеспечивающие проектирование и создание информационно-аналитических систем поддержки принятия решений в сфере управления природопользованием. Непосредственно автором разработано математическое и технологическое обеспечение СППР «Эксперт». Принципиальное значение играет вклад автора в создание инструментальной среды разработки информационно-аналитических систем и реализацию ряда прикладных систем и технологии на ее основе.

Работа содержит 117 стр., включает 34 рис., 4 таблицы и состоит из введения, четырех глав и заключения. Список использованной литературы содержит 71 наименование.

Диссертация выполнена под научным руководством д.т.н., профессора Е.Н. Черемисиной, которой автор выражает глубокую признательность, а также искренне благодарит к.т.н. JI.E. Чесалова, к.т.н. О.В. Митракову, к.т.н. А.В. Любимову, А.С. Попова, за консультации и помощь в работе.

Выполненные разработки были апробированы на материалах и совместно с казахстанскими специалистами Комитета геологии и недропользования Республики

• Казахстан. Автор выражает искреннюю благодарность Д.А. Касымбекову, В.А. Киктеву, Н.Г. Полонской и др. казахстанским специалистам.

Заключение

Основными направлениями проведенных исследований явились:

1. Обзор и анализ программно-технологических средств и методик, применяемых при проектировании и разработке информационно-аналитических систем в области автоматизации управленческой деятельности.

2. Разработка математического и программно-технологического обеспечения поддержки принятия решений в слабоструктурированных задачах планирования, прогнозирования и управления.

3. Создание специализированной инструментальной среды разработки прикладных информационно-аналитических систем.

4. Апробация разработок при создании информационно-аналитических систем в области мониторинга недр и управления природопользованием.

В результате исследований разработано аналитическое и программно-технологическое обеспечение создания прикладных информационно-аналитических систем поддержки принятия управленческих решений в природопользовании, при этом получены следующие результаты:

1. Предложен новый методико-технологический подход к построению прикладных информационно-аналитических систем в области управления природопользованием, основанный на сочетании возможностей современных СУБД, ГИС, СППР и применении инструментальной среды для разработки системы.

2. Реализована инструментальная среда для разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия решений, обеспечивающая конструирование клиентских мест системы путем настройки специальных программных компонентов.

3. Разработано алгоритмическое обеспечение, являющееся развитием метода анализа иерархий в части обработки объективной и субъективной информации, оценки согласованности экспертных суждений.

4. Создано программное обеспечение СППР, реализующее задание иерархии факторов и экспертных предпочтений, комплексный анализ накопленной информации, расчет и оценку возможных альтернатив решений, анализ чувствительности принимаемого решения.

На базе разработанных автором подхода, математических и программно-технологических средств создана первая очередь информационно-аналитической системы государственного мониторинга состояния недр Российской Федерации (ИАС ГМСН), реализована подсистема «Подземные воды» Государственного банка информации о недрах и недропользовании Республики Казахстан. Разработанная СППР применяется в Ситуационном центре МПР России.

1. Антонов А.В. Системный анализ. М.: Высшая школа, 2004. - 454 с.

2. Аракчеев Д.Б. Компьютерная система поддержки принятия решений «Эксперт» //Геоинформатика, №2, 2001, с.33-37.

3. Аракчеев Д.Б. Использование СППР «Эксперт» совместно с ArcGIS для поддержки принятия управленческих решений //ArcReview, №4, 2002, с. 19.

4. Аракчеев Д.Б. Разработка СППР-технологий для аналитической поддержки принятия управленческих решений в природопользовании //Геоинформатика, №2, 2003, с.24-28.

5. Аракчеев Д.Б. Использование ГИС «Интегро» и СППР «Эксперт» для аналитической поддержки принятия управленческих решений //Информация и космос, №1-2, 2003, с. 23-28.

6. Аракчеев Д.Б. Средства компьютерной поддержки принятия управленческих решений в задачах экологического анализа. Международная конференция «Математическое моделирование природных экосистем». Труды конференции. Казахстан, Алматы, 2003, с.154.

7. П.Аракчеев Д.Б. Программно-инструментальные средства для разработки информационно-аналитических систем

8. Геоинформатика № 2, 2004, с. 37-45.

9. Артемьев В. Что такое BUSINESS INTELLIGENCE? //Открытые системы. №04, 2003

10. Веселое В.В. Гидрогеологическое районирование и региональная оценка ресуров подземных вод Казахстана. -Алматы, НИЦ Гылым, 2002. -438 с.

11. Воробьев С.Н., Уткин В.Б., Балдин К.В. Управленческие решения.-М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. 317 с.

12. Гарсия М.Ф, Рединг Дж. Microsoft SQL Server 2000. Справочник администратора. М.: СП ЭКОМ, 2004.-976 с.

13. Гончаров В.В. Руководство для высшего управленческого персонала в двух томах. Том 1. -М.: МНИИПУ, 1997.-768 с.

14. Грабер М. SQL: Справочное руководство. М.: Лори, 1997.-291 с.

15. Гусева А.И. Технология межсетевых взаимодействий. М.: Диалог-МИФИ, 1997.

16. Даукеев С.Ж., Ужкенов Б.С. и др. Концепция управления и регулирования недропользования и охраны недр в Республике Казахстан, Издательство журнала "Минеральные ресурсы Казахстана", Алматы, 1994

17. Дэвидсон JI. Проектирование баз данных на SQL Server 2000. -М.: БИНОМ, 2003.-680 с.

18. Дюк В., Самойленко A. Data Mining: учебный курс.-СПб.: Питер, 2001.

19. Елманова Н., Трепалин С., Тенцер A. Delphi и технология СОМ. -СпБ.: Питер, 2002.

20. Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций. Материалы 1-й международной конференции в трех томах. Том 1 / Сост. В.И. Максимов. М.: ИПУ РАН, 2001.-196 с.

21. Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций. Труды 3-й международной конференции в двух томах. Том 1 /Под. Ред. В,И. Максимова. -М.: ИПУ РАН, 2003.- 178 с.

22. Краевский С.В. Классификация аналитических информационных систем.//Финансовая газета, №20, 2003.

23. Кузнецов O.JI., Никитин А.А. Геоинформатика М.: Недра, 1992

24. Кузнецов O.JI, Черемисина Е.Н., Финкелыитейн М.Я., Митракова О.В., Чесалов J1.E. и др Основы интегрированного системного анализа, компьютерные технологии в природопользовании, применение ГИС INTEGRO при изучении недр //Геоинформатика. № 3, 1999.

25. Ларичев О.И. Объективные модели и субъективные решения. М.: Наука, 1987.

26. Ларичев О.И., Мошкович Е.М. Качественные методы принятия решений. М.: Наука. Физматлит, 1996.

27. Литвак Б.Г. Разработка управленческого решения. —М.: Дело, 2000. -392 с.

28. Любимова А.В. Компьютерная технология комплексной оценки геоэкологического состояния территории. // Геоинформатика №2, 2003.

29. Макроум Б. Макетирование моделированием.// PC Magazine, Russian Edition, №9, 1996

30. Непомнящий Е.Г. Экономика и управление предприятием. -Таганрог, ТРТУ, 1997. -374 с.

31. Пал М.Х. Энерия и защита окружающей среды.- Падеборн, FIT-Verlag, 1996.-449 с.

32. Поспелов Д.А., Пушкин В.М. Мышление и автоматы. М.: Советское радио, 1972.

33. Поспелов Г.С., Ириков В.А. Программно-целевое планирование и управление. М.: Сов. радио, 1976. - 440 с.

34. Саати Т., Керне К. Аналитическое планирование . Организация систем: М: Радио и связь , 1991. -224 с.

35. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий. М. Радио и связь, 1993.

36. Смирнов Э.А. Управленческие решения. -М.: ИНФРА-М, 2001. -264 с.

37. Струченков В.И. Методы оптимизации. М.: Экзамен, 2005. -256 с.

38. Суханов М.Г., Чесалов JI.E., Шумихин А.С. Технология доступа и обработки данных в распределенной ГИС-системе. //Геоинформатика. 1999, № 3.

39. Таунсенд К., Фохт Д. Проектирование и программная реализация экспертных систем на персональных ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1990.

40. Трахтенгерц Э.А. Принятие решений на основе компьютерного анализа. М.: Институт проблем управления РАН, 1996.

41. Трахтенгерц Э.А. Компьютерный анализ в динамике принятия решений. //Приборы и системы управления. №1, 1997.

42. Трахтенгерц Э.А. Компьютерная поддержка принятия решений. М: СИНТЕГ, 1998.-376 с.

43. Тэрано Т., Асаи К., Сугэно М. Прикладные нечеткие системы. М.: Мир, 1993.

44. Уилкинсон Дж. Алгебраическая проблема собственных значений. -М.: Наука, 1979.

45. Ужкенов Б. С. Методические основы создания банка геологической, геофизической и геохимической информации о недрах и недропользовании на примере республики Казахстан // Автореферат диссертации. — М., ВНИИгеосистем, 1997

46. Уткин В.Б, Балдин К.В. Современные ифнормационные системы в технологии и экономике. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003.

47. Фаулер М., Скотт К. UML. Применение стандартного языка объектного моделирования.-М.: Мир, 1999. 191 с.

48. Черемисина Е.Н., Чесалов JI.E. Ситуационный центр МПР России: поддержка принятия управленческих решений в природопользовании. // Геоинформатика. 2004, №3.

49. Шевчук А.В. Экономика природопользования (теория и практика).-М.: НИА-Природа, 1999. -308 с.

50. Шлеер С, Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: проектирование мира в состояниях. К.: Диалектика, 1993.

51. Шнайдер P. Microsoft SQL Server. Проектирование высокопроизводительных баз данных. -М.: Лори, 1998. -361 с.

52. Шумаков П.В. Delphi и создание приложений баз данных. М.: Нолидж, 1998.-704 с.

53. Цхай А.А. и др. Экологический менеджмент, основанный на понятии риска -Барнаул: Азбука, 2001.- 243 с.

54. Юкаева В. С. Управленческие решения: Учебное пособие. М.: ОПС, 1998.

55. Bana е Cortsa С.A., Vansnick J.C. MACBETH an interactive path towards the construction of cardinal value functions //International Transactions in Operational Research. : V. 1. №4, 1994.

56. Debevoise T. The Data Warehouse Method. Prentice Hall PTR, 1999.

57. Eom S.B. Decision support systems research: reference disciplines and a cumulative tradition. // The International Journal of Management Science, 23, 5, October 1995.

58. Genest C, Rivest L-P. A Statistical Look at Saaty's Method of Estimating Pairwise Preferences Expressed on a Ratio Scale.// Journal Of Mathematical Psychology, №38,1994.

59. Ginzberg M.J., Stohr E.A. A decision support: Issues and Perspectives. // Processes and Tools for Decision Support. Amsterdam, North-Holland Publ. Co, 1983.

60. Immon B. Entreprise Meta Data. //DM Direct, July 2000.

61. Lootsma F.A. Scale sensitivity in the multiplicative AHP and SMART //J. Multi-Criteria Decision Analysis. 1993. V.2.

62. Moncla B. Bisiness Meta Data Integration. //DM Review, September 1999.

63. Sadcheva S. Meta Data Architecture for Data Warehousing. //DM Review, April 1998.

64. Simon H.A. The new science of management decision. Englewood Cliffs, N.J., Prentice-Hall Inc., 1975

65. Simonovic A., Slobodan P. Decision support for sustainable water resources development in water resources planning in a changing world.

66. Proceeding of International UNESCO symposium, Karlsruhe, Germany, p.III.3-13, 1994,

67. Slovic P., Fichhoff В., Lichtenstein S., Behavioral decision theory. // Annu. Phychol. Rev. vol. 28, 1997.