автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Система поддержки индикативного анализа энергетической безопасности России

ООЗ 165471

На правах рукописи

Береснева Наталья Михайловна

СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ИНДИКАТИВНОГО АНАЛИЗА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ РОССИИ

Специальность 05 13 18. Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2008

003165471

Работа выполнена в Институте систем энергетики им Л А Мелентьева (ИСЭМ) СО РАН

Научный руководитель - кандидат технических наук,

Сергей Михайлович Сендеров

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Юрий Мечеславович Краковский

кандидат технических наук, Ольга Николаевна Федяева

Ведущая организация - Институт «Кибернетический центр»

Томского политехнического университета

Защита состоится 25 марта 2008 г в 14 часов 00 минут в зале заседания ученого совета на заседании диссертационного совета Д003.017 01 при Институте систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН по адресу 664033, Иркутск-33, ул Лермонтова, 130

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

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу 664033, Иркутск-33, ул Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета

Автореферат разослан февраля 2008 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003 017 01, доктор технических наук, профессор

АМ Клер

Актуальность работы. Актуальность работы определяется актуальностью исследований проблемы обеспечения энергетической безопасности (ЭБ) России и актуальностью разработки инструментария для проведения этих исследований

ЭБ России характеризуется как состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо-и энергоснабжения В нормальных условиях указанное состояние защищенности соответствует обеспечению в полном объеме обоснованных потребностей, в чрезвычайных ситуациях - гарантированному обеспечению минимально необходимого объема потребностей

Важным направлением решения задачи обеспечения ЭБ России и ее регионов является учет требований ЭБ при исследовании перспектив развития энергетики страны, что получило наибольшее распространение в работах Института систем энергетики им Л А Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН) (работы научных коллективов под руководством Н И Воропая, Л Д Криворуцкого, С М Сендерова и др ) В настоящее время в институте проводятся исследования, касающиеся выбора рациональных с позиций ЭБ направлений развития энергетики страны и ее регионов и формирования на их основе предложений по обеспечению ЭБ Делается это на основе использования индикативного анализа перспективных состояний важнейших индикаторов ЭБ при сравнении их ожидаемых значений с соответствующими пороговыми значениями

Основным средством указанных исследований является созданный в ИСЭМ СО РАН на основе методов комбинаторного моделирования инструментарий для формирования с учетом требований ЭБ направлений развития ТЭК Множество направлений развития ТЭК в этом случае представлено в виде графа, каждый узел которого соответствует возможному состоянию ТЭК со своими особенностями топливо- и энергоснабжения, а дуга - траектории перехода ТЭК с одного временного уровня на другой со своей стоимостью В данном инструментарии не были реализованы компоненты для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ Особенность использования в поставленных задачах методов комбинаторного моделирования состоит в формировании значительного количества перспективных состояний энергетики страны и ее регионов Отображение этих состояний на экране, а также отображение самих

траекторий невозможно из-за их огромного количества По этой же причине невозможен и их экспертный анализ с позиций ЭБ Наличие подобных проблем обусловило необходимость решения проблемы отображения графов развития ТЭК и дальнейшего анализа их состояний и траекторий с позиций ЭБ, включая проведение индикативного анализа каждого возможного состояния ТЭК с учетом временного и территориального аспектов Предлагаемый путь решения такой проблемы здесь - разработка системы поддержки индикативного анализа ЭБ страны

При постановке исследований и создании инструментария было принято, что процесс подготовки результирующего графа развития ТЭК, его отображение и дальнейший экспертный анализ возможных состояний ТЭК и траекторий его развития с позиций ЭБ должны быть выполнены в специализированной интегрированной среде При этом оценки состояний по важнейшим индикаторам ЭБ должны формироваться с помощью подсистемы расчета индикаторов ЭБ Наглядный, доступный для экспертов индикативный анализ перспективных состояний ТЭК должен быть реализован в рамках подсистемы индикативного анализа возможных состояний ТЭК - специализированного «аналитического» инструмента, в котором с помощью элементов когнитивной графики проводился бы детальный анализ возможных состояний как в территориальном, так и во временном разрезах В таком инструменте должны быть учтены основные положения методики проведения индикативного анализа ЭБ (нормирование значений индикаторов ЭБ, сравнение величин значений индикаторов ЭБ с их пороговыми значениями, получение качественной оценки ситуации с ЭБ в различных аспектах функционирования и развития энергетики территорий)

Анализ ныне существующего инструментария показывает, что до сих пор таких программных продуктов для проведения исследований развития энергетики России с позиций ЭБ предложено не было Существуют специализированные системы для работы с графами произвольной семантики, есть инструментарий для индикативного анализа других предметных областей, в котором используются различные принципы проведения анализа объектов исследования Однако в большинстве своем подобный инструментарий имеет узкую функциональную или предметную направленность, что требует его адаптации в случае его использования для решения задачи проведения анализа возможных состояний ТЭК и траекторий его развития

Таким образом, цель работы заключается в исследовании и решении следующих проблем

1 Разработка принципов использования методов индикативного анализа в исследованиях проблемы ЭБ с привлечением методов комбинаторного моделирования

2 Адаптация специализированного программного обеспечения для представления результатов индикативного анализа ЭБ

3 Разработка системы поддержки индикативного анализа энергетической безопасности

При этом на защиту выносятся и научную новизну составляют следующие основные положения:

1 Принципы учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, созданных с помощью методов комбинаторного моделирования

2 Модель интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ

3 Методика адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ

4 Система поддержки индикативного анализа ЭБ России

Практическая значимость. На основе предложенных принципов учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, модели интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ, методики адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ России разработана система поддержки индикативного анализа ЭБ России Данная система разрабатывалась в рамках программно-вычислительного комплекса (ПВК) «Корректива», предназначенного для выработки направлений корректировки вариантов развития ТЭК России и ее регионов с позиций обеспечения ЭБ В данном комплексе при реализации этапов формирования графа развития ТЭК и его расчета на балансовой экономико-математической модели ТЭК России до выполнения данной работы отсутствовали

- блок анализа возможных перспективных состояний ТЭК с позиций ЭБ,

- блок наглядного представления результатов вычислительных экспериментов и система поддержки их экспертного анализа

Разработанная и защищаемая автором система поддержки индикативного анализа ЭБ России включает в себя подсистему расчета индикаторов ЭБ, интегрированную среду для отображения графов развития ТЭК и их анализа с пози-

ций ЭБ, подсистему индикативного анализа возможных состояний ТЭК, и тем самым решает поставленные задачи

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН в 2005, 2006 году, на X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике, образовании», XI международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях»

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения Изложена на 126 страницах

Содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность исследования проблемы обеспечения ЭБ России и ее регионов, необходимость совершенствования специализированного инструментария для исследования развития энергетики с применением методов комбинаторного моделирования, аргументирована необходимость разработки системы поддержки индикативного анализа ЭБ

В первой главе раскрыта суть проблемы обеспечения ЭБ России и ее регионов, проведен анализ существующих методов исследования развития ТЭК страны и ее регионов с позиций ЭБ, а также дан обзор специализированного инструментария для проведения данных исследований (разработки научных коллективов ИСЭМ СО РАН под руководством Н И Воропая, С М Сендерова, Л В Массель и Института экономики УрО РАН под руководством А И Татар-кина, А А Куклина)

Раскрыты основные задачи и цели исследования проблемы обеспечения ЭБ России и ее регионов и выделены основные направления исследования проблемы ЭБ

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

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

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

Также в главе рассмотрены вопросы учета требований ЭБ при исследовании развития энергетики страны и ее регионов, предложенная в ИСЭМ СО РАН двухуровневая технология исследований при решении проблемы обеспечения ЭБ, позволяющая исследовать соответствующие особенности работы систем

энергетики в ТЭК и на системном уровне При этом верхний уровень указанной технологии представляют модели для проведения исследований по оценке состояния ТЭК при возможных возмущениях и их влияния на условия топливо- и энергоснабжения потребителей с позиций обеспечения ЭБ Нижний уровень иерархии представляют отраслевые модели, позволяющие оценить потенциальные возможности федеральных систем нефте- и нефтепродуктоснабжения (ЕСН) и газоснабжения (ЕСГ) по удовлетворению потребителей соответствующими энергоресурсами как в нормальных условиях функционирования, так и в условиях чрезвычайных ситуаций

В главе описана балансовая экономико-математическая модель ТЭК России, предназначенная для исследования развития энергетики России и ее регионов с позиций ЭБ В математическом смысле данная модель представляет собой классическую задачу линейного программирования, в содержательном (энергоэкономическом) - модель, базирующуюся на традиционной территориально-производственной модели ТЭК, с блоками электроэнергетики, тепло-, газо- и углеснабжения, а также мазутоснабжения

Также в первой главе дан анализ разработок, положивших начало современной информационной технологии исследования ТЭК, и используемого на сегодняшний день инструментария для исследования развития ТЭК с позиций ЭБ При этом в исследованиях для получения наиболее достоверного решения желательно формировать как можно больше возможных перспективных состояний ТЭК, при условии реализации угроз ЭБ Традиционная схема проведения исследований, основанная на детальном анализе ограниченного числа экс-пертно выбранных вариантов развития ТЭК не совсем эффективна в силу неполноты набора возможных вариантов, длительности и трудоемкости процесса подютовки и расчета каждого рассчитываемого сценария Отсюда необходимость в использовании методов комбинаторного моделирования при исследовании развития энергетики с позиций ЭБ

Вторая глава посвящена методологии исследования вариантов развития ТЭК с позиций ЭБ, формированию принципов создания системы поддержки индикативного анализа ЭБ России

Каждое сформированное с помощью методов комбинаторного моделирования состояние характеризует отдельный вариант развития энергетики в конкретный момент времени, формируется путем различных сочетаний состояний отраслей энергетики по регионам в этот момент времени Схема проведения исследований развития ТЭК России с позиций ЭБ с привлечением методов комбинаторного моделирования представлена на рис 1

Анализ направлений развития

с позиций ЭБ

Формирование графа развития ТЭК

Комбинаторное моделирование

Экономико-математическая модель исследования ЭБ

Рис. 1. Схема проведения исследований развития ТЭК России с позиций энергетической безопасности с привлечением методов комбинаторного моделирования

Выделение рациональных с позиций ЭБ вариантов развития ТЭК осуществляется с помощью проведения индикативного анализа ЭБ, основанного на сравнении значений индикаторов ЭБ с их пороговыми или предельно допустимыми значениями, и подготовку на этой основе соответствующих выводов и рекомендаций. Качественно в процедуре индикативного анализа выделяется нормальная, предкризисная и кризисная ситуации в обеспечении ЭБ территорий.

Для проведения индикативного анализа в настоящее время используются важнейшие индикаторы ЭБ, удовлетворяющие двум требованиям: в совокупности они должны покрывать весь объем информационных потребностей задач обеспечения ЭБ; каждый индикатор, их совокупность должны обеспечить максимально возможную достоверность информации. Экспертно было выделено 10 важнейших индикаторов ЭБ, распределенных по блокам самообеспеченности, живучести системы топливо- и энергоснабжения, состояния основных производственных фондов. Список данных индикаторов предложен в таблице 1.

Далее во второй главе раскрывается основная проблема при проведении исследований с помощью методов комбинаторного моделирования, показываются возможные пути ее решения. Как отмечалось ранее, отобразить граф раз-

Таблица 1

Важнейшие индикаторы энергетической безопасности

Группа индикаторов Индикаторы энергетической безопасности

Блок самообеспеченности 1 Отношение величины суммарной располагаемой мощности электростанций региона к максимальной электрической нагрузке потребителей на его территории

2 Отношение величины суммы располагаемой мощности этектро-станций и пропускной способности межсистемных связей региона с соседними к максимальной электрической нагрузке потребителей на его территории

3 Доля собственных первичных ТЭР в потреблении котельно-печного топтива (КПТ) на территории

Б ток живучести системы топливо-и энергоснабжения 1 Доля доминирующего ресурса в общем потреблении КПТ на территории региона

2 Доля наиболее крупной электростанции в установленной электрической мощности региона

3 Уровень потенциальной обеспеченности спроса на тептовую энергию в условиях резкого похолодания (10 % наброс потребления) на территории региона

Блок состояния активной части ОПФ 1 Степень износа основных производственных фондов (ОПФ) электроэнергетики региона

2 Степень износа ОПФ предприятий топливной промышленности территории

3 Степень износа ОПФ в теплоэнергетике региона

4 Отношение ввода установленной мощности и технического перевооружения эпектростанций территории за предшествующий 5-летний период к установленной мощности на территории

вития ТЭК очень больших размеров практически невозможно, а привлеченным к исследованию экспертам физически невозможно проанализировать все возможные состояния ТЭК, сравнить их между собой К примеру, для трех энергетических отраслей, четырех географических зон и всего лишь двух сценариев развития выделенных отраслей всего лишь для одного года эксперту необходимо проанализировать 512 возможных состояний Положение осложняется еще и возможной близостью расчетных состояний ТЭК по характеристикам функционирования энергетики в регионах, что приводит к наличию в графе практически идентичных состояний, которые могут дать почти не отличающиеся друг от друга перспективные направления развития энергетики И даже в

случае отбора логически возможных состояний и переходов (отсечение переходов от лучшего состояния к худшему) исследовать подобный граф возможно лишь в рамках специализированной системы поддержки индикативного анализа ЭБ, и то при условии сокращения в нем числа состояний. Для того, чтобы сократить число исследуемых перспективных состояний и создать базу для проведения их анализа с позиций ЭБ, в работе сформулированы принципы учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, созданных с помощью методов комбинаторного моделирования, рис. 2. Выбор наиболее представительных состояний ТЭК в графе - дополнительный шаг, позволяющий экспертам впоследствии выработать наиболее эффективные мероприятия по обеспечению ЭБ исследуемых территорий.

•Щ1 Выбор логически допустимых состояний ТЭК 2. Выбор допустимых по важнейшим индикаторам ЭБ состояний ТЭК: • расчет фактических значений индикаторов ЭБ; • получение качественной оценки на основе сравнения фактических значений индикаторов ЭБ с их пороговыми значениями; • определение допустимости состояний в графе, исходя из оценки ситуации с важнейшими ин-дикатооами ЭБ. ^

Разреженный граф развития ТЭК

2005 2010 201К 2020 \ — Выбор наиболее представительных состояний ТЭК

■-■/: й** г:., , . < > • •• .'Л::...,;.

Рис. 2. Принципы учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, созданных с помощью методов комбинаторного моделирования

Требования к основным программным компонентам разработанной системы следующие.

- Подсистема расчета индикаторов ЭБ должна быть предназначена для получения количественной и качественной оценок отдельных индикаторов ЭБ для каждого возможного состояния ТЭК, чтобы воспользоваться ими на этапах формирования разреженного графа развития ТЭК и его дальнейшего анализа с позиций ЭБ. Структура подсистемы расчета индикаторов ЭБ представлена на рис. 3.

- Среда для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций

ЭБ должна быть предназначена для проведения исследования разреженного

Рис. 3. Структура подсистемы расчета индикаторов энергетической безопасности

графа. При формировании результирующего графа должна выполняться двухступенчатая процедура отсечки неприемлемых состояний, на первом этапе которой отсекаются недопустимые по важнейшим индикаторам ЭБ состояния ТЭК, на втором - выбираются наиболее представительные состояния с помощью методов кластерного анализа.

В рассматриваемой среде большая роль должна отводиться визуальному представлению результатов проведенного анализа, в том числе на узлах и дугах графа. Для оценки конкретных аспектов развития энергетики с позиций ЭБ необходим выбор рациональных траекторий развития ТЭК по состоянию отдельных индикаторов ЭБ. Проведение комплексного анализа траекторий развития ТЭК возможно в случае выбора субрациональных по важнейшим индикаторам ЭБ траекторий развития, во множестве которых эксперт сможет выбрать наиболее перспективную на его взгляд траекторию, возможно не вполне отвечающую требованиям ЭБ.

Вопрос поиска траектории, наиболее близкой к рациональной с позиций ЭБ, в разрабатываемой среде может быть решен с помощью одного из методов многокритериальной оптимизации. Такой подход может повысить объективность получаемых комплексных оценок, не требуя активного участия привле-

ченных экспертов

В работе сформулированы следующие основные требования к среде для отображения графов развития ТЭК, и их анализа с позиций ЭБ

1 Реализация пользовательского интерфейса для изучения графа большой размерности

2 Привлечение графических решений для анализа состояний ТЭК по критериям функционирования и развития энергетики России

3 Возможность проведения индикативного анализа состояний ТЭК на уровне федеральных округов и субъектов Российской Федерации.

4 Возможность поиска рациональной и субрациональных траекторий развития ТЭК по индикаторам ЭБ

5 Обеспечение взаимодействия с внешними приложениями и базами данных

Разработка подобного инструментария может быть проведена на базе специализированного программного обеспечения для работы с графами Такой подход позволяет на базе универсальных библиотек для работы с графами, создать более специализированные программы для работы с графами, направленные на решение конкретных прикладных задач В соответствии с этим была предложена и реализована следующая технология создания среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ

1 Выбор специализированного программного обеспечения для работы с графами согласно предъявленным к среде требованиям

2 Изучение требований библиотеки графов к представлению графов

3 Реализация алгоритмов поиска рациональной и субрациональных траекторий развития ТЭК по индикаторам ЭБ

4 Реализация взаимодействия с подсистемой расчета индикаторов ЭБ

5 Интеграция инструментария для отображения результатов индикативного анализа возможных состояний ТЭК в специализированное программное обеспечение

На основании сказанного модель среды для исследования графов развития ТЭК должна включать

- блок отображения графов развития ТЭК, поддерживающий средства графического ввода и вывода,

- блок анализа состояний графа, в рамках которого проводится идентификация состояний ТЭК по оценкам индикаторов ЭБ,

- блок анализа траекторий развития ТЭК, поддерживающий выбор рациональной и субрационалных траекторий развития ТЭК по оценкам индикаторов ЭБ

Это показано на рис. 4.

Блок

отображения графов 'А

I

Библиотека графов

Блок

анализа состояний • графа

Блок

анализа траекторий -4- • графа

Рис. 4. Модель среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

Качественно ситуация с уровнем ЭБ России и ее регионов может быть наглядно отображена непосредственно в графе развития ТЭК путем цветовой дифференциации узлов и дуг графа развития ТЭК. Для этого детальный анализ состояний ТЭК с учетом территориального и временного аспектов должен проводиться в рамках подсистемы индикативного анализа возможных состояний ТЭК. При этом должны быть учтены требования методики проведения индикативного анализа, а привлечение средств когнитивной графики может позволить анализировать структуру и содержание данных через цветовые решения, форму, размеры, текстуру, позицию, ориентацию графических элементов изображения (например, столбцы, сектора и точки диаграмм, цветовая идентификация полигонов электронных карт или вершин направленных графов).

В целом подсистема индикативного анализа возможных состояний ТЭК должна отвечать следующим требованиям-.

1. Поддержка требований методики проведения индикативного анализа ЭБ (получение нормированных оценок, получение на их основе качественной оценки состояния по регионам для отдельных индикаторов ЭБ и их групп).

2. Графическое отображение результатов индикативного анализа состояний ТЭК.

3 Возможность создания различных наборов индикаторов

Анализ специализированного программного обеспечения для индикативного анализа других предметных областей показал, что узкая предметная направленность программных продуктов зачастую способствует введению ограничений на исходные наборы анализируемых показателей, а также особенностям методики проводимого анализа Одна ко адаптировать подобное программное обеспечение для решения задачи индикативного анализа ЭБ при условии гибкости и открытости исходных наборов данных и критериев их анализа, схожести принципов проведения анализа, наглядном графическом представлении результатов анализа смысл имеет Это позволит создать относительно универсальный инструментарий для анализа развития энергетики России и ее регионов, в том числе с помощью индикаторов ЭБ, естественно с учетом сформулированных ранее требований Поэтому, в рамках работы была предложена и реализована следующая методика адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ

1 Исследование формата исходных данных для проведения индикативного анализа

2 Исследование алгоритмов нормирования исходных данных, их свертки с учетом приоритетности

3 Учет возможности разбивки данных по территориальному и временному признакам

4 Исследование подхода к выделению качественного состояния объекта исследования

5 Изучение и выбор наиболее представительных форм отображения результатов анализа

6 Преобразование фактических значений индикаторов ЭБ для получения оценки уровня ЭБ по принятым в программном обеспечении правилам выделения качественного состояния объекта исследования

7 Реализация интеграции исследуемого программного обеспечения

В третьей главе диссертации дано описание разработанной в рамках ПВК «Корректива» (для формирования вариантов развития ТЭК в комплексе используется язык описания сценариев 1РАТ-81) системы поддержки индикативного анализа ЭБ России

В комплексе формируются графы развития отраслей ТЭК с заданными

1 Язык описания сценариев IPAT-S разработан в Stockholm Environment Institute, http //roat-s kb creative net/

14

характеристиками функционирования отраслей. Далее с помощью блока комбинаторного моделирования формируется граф развития ТЭК, каждое состояние которого следующим шагом рассчитывается на балансовой экономико-математической модели ТЭК. Из графа исключаются состояния, недопустимые по финансовым и ресурсным ограничениям. Следующим этапом проводится кластерный анализ состояний, реализованный в блоке кластерного анализа.

Выбор представительных состояний ТЭК из полного графа развития ТЭК происходит в два этапа. На каждом из этапов для каждого момента времени выбираются состояния, которые расположены наиболее близко к центру кластера. В результате для каждого момента времени отбирается несколько десятков состояний, из которых формируется разреженный граф развития ТЭК.

Вопросы проведения дальнейшего анализа полученного графа развития ТЭК были решены в рамках разработанной на базе специализированного программного обеспечения системы поддержки индикативного анализа ЭБ России.

Обобщенная функциональная схема ПВК «Корректива», включая основные компоненты разработанной автором системы поддержки индикативного анализа ЭБ (выделены серым цветом), представлена на рис. 5.

Среда для отображения графов развития . ТЭК и их анализа с позиций ЭБ

Л.. _.. Ъ - ■-■•-'■•■

Подсистема индикативного анализа возможных состояний ТЭК

Рис. 5. Функциональная схема ПВК «Корректива»

Поддержка анализа графов развития ТЭК была выполнена в рамках интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ. Отправной точкой в разработке среды послужили существующие наработки в области визуализации и обработки графов Анализ существующего программного обеспечения показал, что несмотря на достаточно широкий спектр программ, в большинстве своем они специализированы, либо с позиций предметной области (графы «снабжены» определенной специфичной семантикой), либо с позиций отдельных аспектов работы с графами Применительно к задаче исследования графов развития ТЭК, к числу выдвигаемых к данным программам требований, были отнесены качественная и эффективная работа с большими графами произвольной семантики, выбор свободно распространяемого программного обеспечения, возможность дальнейшей поддержки разработчиками этих проектов, открытость исходных кодов

Следуя этим требованиям, в качестве базового средства для разработки среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ была выбрана система исследования графов GUESS1 По сути это среда разработки специализированных приложений на языке программирования Jython2 В программе поддерживается возможность работы с базами данных, с графами большой размерности произвольной семантики

Была реализована следующая технология применения разработанной среды

1 Идентификация состояний ТЭК по оценкам отдельных индикаторов ЭБ выполняется с последующим окрашиванием узлов графа В табличной форме приводятся данные, сгруппированные по критериям и узлам

2 Поиск траекторий развития ТЭК, рациональных по отдельным индикаторам ЭБ, выполнен с помощью алгоритма Флойда-Уоршала для нахождения наикратчайшего пути между парами узлов по весам (или длинам) дуг В таблицах приводится список возможных траекторий развития ТЭК с результирующим весом траекторий и перечнем характеристик узлов, входящих в траектории

3 Формирование графа субрациональных траекторий развития ТЭК по отдельным индикаторам ЭБ производится в два этапа также с помощью алгоритма Флойда-Уоршала На первом этапе последовательным рассмотрением всех состояний ТЭК от исходного момента времени до конечного

1 Система исследования графов GUESS http //graphexploration cond ога/

AdarE GUESS a language and interface for graph exploration // CHI2006 Montréal, Canada Apr 22-27 p 791800,2006

2 Интерпретатор языка программирования Python написанный на Java, htrp.//www ivthon orp

определяются величины затрат на достижение каждого состояния На втором - обратным просмотром состояний (от конечных состояний ТЭК до исходного) определяются величины минимальных затрат, соответствующих развивающейся системе из каждого состояния к одному из конечных состояний Минимальные затраты по всем проходящим состояние траекториям ТЭК, равные сумме значений минимальных затрат на достижение данного состояния и минимальных затрат на дальнейшее развитие, - величина, по которой определяют субрациональность состояния Диапазоны числового интервала для попадания состояния в категорию субрационального задается экспертами величиной приращения к наилучшему значению критерия 4 Поиск траектории, наиболее близкой к рациональной с позиций ЭБ, осуществляется по критерию минимального усредненного уровня ухудшения качества объекта исследования (энергетики) по сравнению с другими нехудшими альтернативами (траекториями) Используемый метод оптимизации предполагает равнозначность анализируемых критериев, поэтому в системе рассматривается лишь как механизм подсказки возможного направления развития ТЭК, наиболее перспективного с позиций ЭБ Функциональная схема среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ представлена на рис 6

В качестве подсистемы индикативного анализа возможных состояний ТЭК согласно сформулированной выше методике адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ, был адаптирован программный комплекс ОавЬВоагс!1, решающий практически идентичную задачу анализа и графической интерпретации складывающейся в регионах ситуации в отношении важнейших аспектов их развития

Выбор данного комплекса был обоснован со следующих позиций Реализованный в комплексе механизм обработки данных достаточно прост и прозрачен, и, в принципе, схож с основными концептуальными моментами индикативного анализа ЭБ В комплексе задействованы наиболее информативные графические формы представления данных Существенным преимуществом этого инструмента можно считать доступный структурированный шаблон представления исходных данных, простота организации вызова программы, что может позволить экспертам использовать программный комплекс в качестве системы экспресс-анализа индикаторов ЭБ Состав анализируемых показателей, регио-

' ОаБЬЬоагс! оГ БшиипаЫМу Ьпр НЫ 1гс И/епУикМаЕЫж^ Ьчп

17

Среда для отображения графов развития ТЭК и их анапиза с позиций ЭЬ Анализ траекторий развития ТЭК

1 Поиск траекторий развития ТЭК, рациональных по состоянию отдельных индикаторов ЭБ

2 Формирование графа субрациональных с позиций ЭБ траекторий по состоянию отдельных индикаторов ЭБ

УЗ Поиск рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК_

Отображение графа развития ТЭК

Идентификация состояний ТЭК по уровню ЭБ

Формирование отчетов

База данных !Firebird)

Подсистема индикативного анализа возможных состояний ТЭК

lz

Браузер

Рис 6 Функциональная схема среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

нов и временных срезов полностью определяется пользователем, поэтому комплекс БазЬВоагс! может использоваться для наглядного анализа показателей разных предметных областей Данный инструментарий рекомендован разработчиками для проведения экспертного анализа в исследовательских системах

Адаптация программного комплекса ВавЬВоагс! была связана со следующим положением Реализованная в комплексе методика проведения анализа предполагает равнозначность числовых интервалов качественных состояний объекта исследования В рамках индикативного анализа ЭБ такое требование неприемлемо Поэтому был предложен и реализован следующий способ преобразования фактических значений индикаторов ЭБ для получения корректной качественной оценки состояний ТЭК в адаптируемом программном комплексе

На первом шаге определяются коэффициенты перерасчета значений каждого из индикаторов ЭБ, исходя из условий равнозначности числовых интервалов качественных состояний объекта исследования

у!

к =-

i = 1,3,

(1)

3 (У,-Ум)

гДе У™,- максимальный балл в шкале программного комплекса ОазЬВоатс! (100 или 1000 баллов),

уа, у3 - минимальное и максимальное значения индикатора ЭБ, у,,уз - экспертно установленные пороговые значения индикатора ЭБ, районированные по условиям развития энергетики в регионах

Следующим шагом преобразуются фактические значения индикатора ЭБ для проведения дальнейшего анализа в программном комплексе

Ум) К + 3('~1}> » = 0, ] = йп, (2)

где х" - приведенное ] -ое значение индикатора, попавшего в I -ый интервал, х - фактическое ] -ое значение индикатора, попавшего в I -ый интервал, т - число значений индикатора, попавших в < -ый интервал, >>,_, - нижняя граница I -го числового интервала

Адаптированная программа интегрирована в среду для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ Вызов программы выполняется через контекстное меню узлов графа развития ТЭК

В четвертой главе приведены примеры апробации разработанного инструментария в рамках базового проекта ИСЭМ СО РАН «Обоснование направлений развития энергетики России с позиций ЭБ на перспективу до 2020 года»

С использованием ПВК «Корректива» были проведены исследования развития энергетики России и ее федеральных округов на период 2005-2020 гг по опорным годам Критериями анализа стали стоимостные затраты на развитие и функционирование ТЭК (с учетом возможных ущербов от недопоставок ТЭР), и два из важнейших индикатора ЭБ возможности удовлетворения потребностей в котельно-печном топливе (КГТТ) из собственных источников региона, доля доминирующего ресурса в балансе КПТ региона

Прогнозируемые уровни потребностей в первичных ТЭР были заданы в соответствии с ориентирами Энергетической Стратегии России до 2020 года Диапазон потребностей в ТЭР формировался для оптимистического и умеренного сценариев развития энергетики России В результате расчетов был получен граф развития ТЭК из 46 представительных состояний ТЭК, который и анализировался с позиций заданных критериев В работе сделан вывод о том, что по каждому анализируемому критерию существуют свои рациональные с позиций ЭБ траектории развития ТЭК

На рис 7 представлен фрагмент процесса анализа графа развития ТЭК в среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ Здесь отображен граф субрациональных траекторий развития ТЭК по индикатору «Доля

но индикатору «Доля доминирующего ресурса в балансе КПТ региона»

доминирующего ресурса в балансе КПТ региона», Диапазон значений по данному индикатору вынесен в таблицу 2, в которой указаны экспертно установленные пороговые значения индикатора, соответствующие качественные оценки состояния по данному индикатору. По этим данным видно, что в балансе КПТ практически во всех федеральных округах (за исключением Сибирского и Дальневосточного) доминирует газ. Результат сравнения ожидаемых значений данного индикатора с его пороговыми значениями показывает, что в большинстве федеральных округов по данному индикатору складывается глубокий кризис.

Пример выбора траектории, наиболее близкой к рациональной с позиций ЭБ, в рассматриваемой среде, представлен на рис. 8. Из трех траекторий развития ТЭК, рациональных в отношении каждого из критериев, наименьшая величина уступки соответствует траектории, выделенной с позиций минимума затрат при учете ущербов за недопоставку ТЭР. Характеристики рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК вынесены в таблице 3.

Таблица 2

Диапазон значений индикатора «Доля доминирующего ресурса в общем потреблении КПТ на территории

региона» для заданных потребностей угля и газа

РЕГИОН Доля доминирующего ресурса в балансе КПТ региона, %

ПОРОГ 2010 2015 2020

ПК К Значение Ресурс Сост. Значение Ресурс Сост. Значение Ресурс Сост.

Северо-Западный 40 70 72-75 ГАЗ К 71-75 ГАЗ К 66-71 ГАЗ К

Центральный 40 70 89-92 ГАЗ К 87-92 ГАЗ к 78-84 ГАЗ К

Приволжский 40 70 94-97 ГАЗ К 93-98 ГАЗ к 68-73 ГАЗ К

Южный 40 70 94-98 ГАЗ к 94-100 ГАЗ к 84-90 ГАЗ К

Уральский 80 90 79-82 ГАЗ ПК 77-81 ГАЗ ПК 66-71 ГАЗ H

Сибирский 80 90 76-79 УГОЛЬ H 74-79 УГОЛЬ H 78-84 УГОЛЬ ПК

Дальневосточный 80 90 70-73 УГОЛЬ H 71-75 УГОЛЬ H 74 - 80 УГОЛЬ H

РОССИЯ 40 70 74-77 ГАЗ к 72-76 ГАЗ к 62-66 ГАЗ ПК

Н - приемлемое состояние ПК - предкризисное состояние К — кризисная ситуация

Рис. 8. Выбор траектории развития ТЭК, наиболее близкой к рациональной с позиций энергетической безопасности, в среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

Пример проведения анализа состояний ТЭК в разработанной подсистеме индикативного анализа возможных состояний ТЭК показан на рис. 9. На нем показаны диаграммы, каждый сектор которых «отображает» исследуемое состояние энергетики по заданному индикатору ЭБ в соответствии с принятой шкалой состояний ТЭК. Центральный сектор диаграммы соответствует интегральной оценке уровня ЭБ по двум текущим индикаторам ЭБ.

Все разработанные непосредственно автором компоненты, работоспособность которых подтверждается возможностью анализа в области выполняемых исследований в комплексе, как раз и представляют заявленную в работе систему поддержки индикативного анализа ЭБ.

Таблица 3

Показатели рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК

Возможности удовлетворения

потребностей в КИТ из собст- Доля доминирующего ресурса в балансе

РЕГИОН венных источников региона, % КПТ региона, %

2010 2015 2020 2010 2015 2020 Ресурс

Северо-Западный 39 ПК 50 ПК 100 H 72 К 71 К 66 К ГАЗ

Центральный 12 к 9 к 9 К 89 К 87 К 78 К ГАЗ

Приволжский 33 ПК 26 Г1К 28 ПК 94 К 93 К 69 К ГАЗ

Южный 38 ПК 26 ПК 21 к 94 К 94 К 84 к ГАЗ

Уральский >100 H >100 H >100 H 79 ПК 77 ПК 66 H ГАЗ

Сибирский >100 H >100 H >100 H 76 H 74 H 78 ПК УГОЛЬ

Дальневосточный >100 H >100 H >100 H 70 H 71 H 75 H УГОЛЬ

РОССИЯ >100 H >100 H >100 H 74 К 72 К 62 ПК ГАЗ

ЭБ

Рис. 9. Фрагмент анализа индикаторов ЭБ в системе индикативного анализа возможных состояний ТЭК

Интегральная оценка: РОССИЯ

ЩМШЖ'2

« ~

Оценка уровня ЭБ по отдельным индикаторам ЭБ

зальная оценка ЭБ по двум гехущим индикаторам

Основные результаты работы

При выполнении данной работы были получены следующие основные результаты

1 Разработаны принципы учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, созданных с помощью методов комбинаторного моделирования

2 Выявлены требования к системе поддержки индикативного анализа ЭБ России, включая

- требования к интегрированной среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ,

- требования к подсистеме индикативного анализа возможных состояний ТЭК

3 Разработана технология создания системы поддержки индикативного анализа ЭБ России, включающая

- технологию создания среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ,

- методику адаптации специализированного программного обеспечения индикативного анализа для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ на примере программного комплекса БаБЫЗоагс!

4 Предложена модель интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ

5 На основе предложенной технологии в рамках ПВК «Корректива» разработана система поддержки индикативного анализа ЭБ России, включающая подсистему расчета индикаторов ЭБ, среду для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ, подсистему индикативного анализа возможных состояний ТЭК

6 В разработанной среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ реализованы

- анализ возможных состояний ТЭК и направлений его развития по важнейшим индикаторам ЭБ с привлечением графических решений,

- поддержка выбора траектории развития ТЭК, наиболее близкой к рациональной с позиций ЭБ,

- взаимодействие с подсистемой индикативного анализа возможных состояний ТЭК и подсистемой расчета индикаторов ЭБ.

7 В разработанной подсистеме индикативного анализа возможных состояний ТЭК реализована возможность проведения детального анализа индикаторов ЭБ возможных перспективных состояний ТЭК

8 Разработанная система поддержки индикативного анализа ЭБ России была апробирована в рамках базового проекта ИСЭМ СО РАН «Обоснование направлений развития энергетики России с позиций ЭБ на перспективу до 2020 года» При апробации проведены исследования путей развития энергетики России и ее федеральных округов на период 2005-2020 год по пятилеткам с учетом заданных потребностей в ТЭР для оптимистического и умеренного сценариев развития энергетики В ходе исследования были выбраны допустимые по состоянию анализируемых индикаторов траектории развития ТЭК, среди которых экспертно выделены более приоритетные с позиций ЭБ направления развития энергетики России и ее федеральных округов

1 Береснева H M Графическая интерпретация индикативной оценки уровня энергетической безопасности страны и регионов // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании/ Труды X Байкальской Всероссийской конференции - Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2005 -С 321-327

2 Береснева H M Решение проблемы анализа и отображения рациональных с позиций энергетической безопасности из множества вариантов развития ТЭК // Вестник ИрГТУ - Иркутск ИрГТУ, 2006 - №2 (26) - С 69-72

3 Береснева H M Разработка многокомпонентной среды для исследования графов развития ТЭК с позиций энергетической безопасности // Системные исследования в энергетике -Иркутск ИСЭМ СО РАН, 2006 С 261-267

4 Edelev, А V , Beresneva, N M "System of Mapping and Analysis of Fuel and Energy Complex Development Graphs in the Study of Russia's Energy Development from the Energy Safety Standpoint" In Computer Science and Information Technologies CSIT'2007 Ufa-Krasnousolsk, Russia, 2007, Vol 3, pp 189-195 (Proceedings of the 7th International Workshop)

5 Еделев А В , Береснева H M Система анализа графов развития ТЭК при исследовании развития энергетики России с позиций энергетической безопасности // Программные продукты и системы - Тверь, 2008 (в печати)

Список литературы по теме диссертации

Заказ № Тираж А3? КЗ Отпечатано в ИСЭМ СО РАН 664033, Иркутск, ул Лермонтова, 130

Список сокращений

Введение

1. Проблема энергетической безопасности России и основные аспекты ее исследования

1.1. Основные задачи и цели исследования проблемы обеспечения энергетической безопасности

1.2. Основные виды угроз энергетической безопасности

1.3. Существующие методы исследования развития ТЭК с позиций энергетической безопасности

1.4. Существующие инструментальные средства для исследования развития ТЭК с позиций энергетической безопасности

2. Методология исследования вариантов развития ТЭК с позиций ' энергетической безопасности и формирование технологии создания системы поддержки индикативного анализа

2.1. Использование методов комбинаторного моделирования для формирования вариантов развития ТЭК и принципы их анализа с позиций энергетической безопасности

2.1.1. Схема проведения исследований

2.1.2. Основные методологические принципы

2.2. Применение индикативного анализа для выделения рациональных с позиций энергетической безопасности вариантов развития ТЭК

2.2.1. Общие положения

2.2.2. Пути определения рациональных и субрациональных с позиций энергетической безопасности траекторий развития ТЭК

2.3. Технология создания системы поддержки индикативного анализа энергетической безопасности России 64 2.3.1. Методические основы

2.3.2. Вопросы формирования основных составляющих системы поддержки индикативного анализа энергетической безопасности России

2.3.2.1. Подсистема расчета индикаторов энергетической безопасности

2.3.2.2. Среда для отображения графов развития ТЭК, сформированных с помощью методов комбинаторного моделирования, и их анализа с позиций энергетической безопасности

2.3.2.3. Подсистема индикативного анализа возможных состояний ТЭК

3. Разработка системы поддержки индикативного анализа энергетической безопасности России

3.1. Разработка среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

3.1.1. Применение системы исследования графов GUESS для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

3.1.2. Решение задачи поиска рациональной траектории развития ТЭК в многокритериальном пространстве

3.2. Разработка подсистемы индикативного анализа возможных состояний ТЭК

3.2.1. Обоснование выбора соответствующего программного обеспечения

3.2.2. Адаптация программного комплекса DashBoard для решения задачи проведения индикативного анализа возможных состояний ТЭК

4. Апробация разработанного инструментария при анализе развития энергетики с позиций энергетической безопасности 101 4.1. Апробация среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций энергетической безопасности

4.2. Апробация подсистемы индикативного анализа возможных состояний ТЭК

Актуальность работы. Начиная с 90-х годов прошлого столетия для России стала актуальной проблема обеспечения ее энергетической безопасности (ЭБ), вызванная сложившимся на тот период времени кризисом в энергетике в условиях нездоровой экономической ситуации в стране. В [1] ЭБ России характеризуется- как состояние защищенности ее граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз деi фицита в обеспечении их обоснованных потребностей в энергии экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) приемлемого качества в нормальных условиях и при чрезвычайных обстоятельствах, а также от нарушений стабильности, бесперебойности топливо- и энергоснабжения. В нормальных условиях указанное состояние защищенности соответствует обеспечению в полном объеме обоснованных потребностей, в чрезвычайных ситуациях - гарантированному обеспечению минимально необходимого объема потребностей.

Важным условием обеспечения ЭБ> России является высокая надежность

I 1 систем энергетики (СЭ), их восприимчивость к реальным сегодня и в перспективе возможным угрозам ЭБ, под которыми понимаются неблагоприятные сочетания событий, процессов или явлений, способных нарушить требуемый режим функционирования СЭ и топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в целом. Наиболее опасными, согласно [1], считаются так называемые «неординарные» угрозы ЭБ, уникальные по характеру развития и последствиям, компенсировать которые достаточно сложно различного рода превентимными мероприятиями. В то же время вероятность их интенсивного проявления достаточно мала. В настоящее время наибольшее внимание уделяется стратегическим угрозам ЭБ, способным сформировать устойчивую длительность дефицитности энергетического баланса страны, приводящую к ухудшению ее социально-экономического развития [2-4].

Основным направлением решения задачи обеспечения ЭБ России и ее регионов является учет требований ЭБ при исследовании перспектив развития

ТЭК страны, что получило наибольшее распространение в работах ИСЭМ СО РАН [2-5]. В ходе исследований отбираются рациональные с позиции ЭБ варианты и направления развития энергетики на основе анализа значений важнейших индикаторов ЭБ и их пороговых значений [6]. Индикаторы ЭБ - критериальные показатели, характеризующие уровень, состав и глубину угроз ЭБ. Сами исследования проводятся с помощью многоитерационных вычислительных экспериментов с использованием моделей функционирования и развития ТЭК страны, позволяющих комплексно оценить условия развития энергетики и предпочтительность сценариев ее развития.

Кроме того, в ИСЭМ СО РАН используется инструментарий для формирования направлений развития энергетики с использованием методов комбинаторного моделирования [7]. Множество направлений развития ТЭК в этом случае представлено в виде направленного графа развития ТЭК, каждый узел которого соответствует возможному состоянию ТЭК со своими особенностями 1 ' топливо- и энергоснабжения, а дуга - траектории его развития со своей стоимостью развития. Каждое состояние ТЭК, характеризующее узел отдельного варианта развития энергетики на данном временном срезе, формируется путем различных сочетаний состояний отраслей ТЭК по федеральным округам в заданный момент времени. Показатели развития отраслей задаются сценариями их возможного развития по опорным годам.

В то же время не существует системы поддержки индикативного анализа ЭБ России, в рамках которой решались бы вопросы отображения графа развития ТЭК, анализа его состояний и траекторий с позиций обеспечения ЭБ. Кроме того, при разработке подобных вопросов до сих пор не была решена задача, характерная для комбинаторного моделирования - решение проблемы лавинообразного роста числа состояний в результирующем графе, что крайне затрудняет проведение экспертного анализа. Соответственно, важной составляющей анализа графов, сформированных с помощью методов комбинаторного моделирования, являются ограничения, накладываемые на вершины графа, позволяющие отбирать удовлетворяющие тем или иным характеристикам возможные состояния объекта исследования. При исследовании проблемы обеспечения ЭБ в ка7 честве ограничений выступают индикаторы ЭБ, а их фактические значения устанавливают степень жесткости отбора допустимых возможных состояний ТЭК.

Комплексный анализ всех траекторий развития ТЭК с позиций ЭБ крайне трудоемок, поэтому для окончательного анализа экспертам должен быть предложен определенный набор субрациональных по важнейшим индикаторам ЭБ траекторий, в пределах которых эксперты смогут выбрать рациональные направления развития энергетики с позиций требований ЭБ. Выбор рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК может быть организован с помощью методов многокритериальной оптимизации. Реализация же подобной подготовки графа развития ТЭК для последующего экспертного анализа возможна лишь в специализированном инструментарии для исследования графов развития ТЭК и проведения индикативного анализа состояний с позиций ЭБ.

Наглядность проводимого индикативного анализа перспективных состояний ТЭК, доступность его эксперту может быть обеспечена в рамках «аналитического» инструмента индикативного анализа,' в котором на уровне когнитивной графики [8] проводился бы детальный анализ возможных состояний ТЭК как в территориальном, так и во временном разрезах. В таком инструменте возможно учесть основные положения методики проведения" индикативного анализа (нормирование значений индикаторов ЭБ, сравнение величин значений индикаторов ЭБ с их пороговыми значениями, получение качественной оценки ситуации в том или ином аспекте функционирования и развития энергетики территорий). Такого инструментария для индикативного анализа возможных состояний ТЭК до сих пор предложено не было. В то же время для исследования других предметных областей подобное программное обеспечение в разное время разрабатывалось [9-18]. При этом в данном инструментарии использовались различные принципы проведения индикативного анализа.

На основании выше сказанного могут быть сформулированы основные цели диссертационной работы:

1. Разработка принципов использования методов индикативного анализа в исследованиях проблемы ЭБ с привлечением методов комбинаторного моделирования.

2. Адаптация специализированного программного обеспечения для представления результатов индикативного анализа ЭБ.

3. Разработка системы поддержки индикативного анализа энергетической безопасности России.

При этом на защиту выносятся и научную новизну составляют следующие основные положения:

1. Принципы учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, созданных с помощью методов комбинаторного моделирования.

2. Модель интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ.

3. Методика адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ.

4. Система поддержки индикативного анализа ЭБ России. Практическая значимость. На основе предложенных принципов учета требований ЭБ при анализе графов развития ТЭК, модели интегрированной среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ, методики адаптации специализированного программного обеспечения для решения задачи отображения результатов индикативного анализа ЭБ России была разработана система поддержки индикативного анализа ЭБ России. Данная система разрабатывалась в рамках программно-вычислительного комплекса (GDR) «Корректива», предназначенного для корректировки направлений развития ТЭК России и ее регионов с позиций обеспечения ЭБ. В этом комплексе реализованы этапы формирования графа развития ТЭК и его расчета на основе балансовой экономико-математической модели ТЭК России, включающей блоки электроэнергетики, тепло-, газо-, мазуто- и углеснабжения и нефтепереработки. В то же время в данном ПВК отсутствовали:

- блок анализа возможных состояний (узлов графа) и направлений (траекторий графа) развития ТЭК с позиций ЭБ; блок наглядного представления результатов вычислительных экспериментов и система поддержки их экспертного анализа.

Разработанная система поддержки индикативного анализа ЭБ России включает в себя подсистему расчета индикаторов ЭБ, среду для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ, подсистему индикативного анализа возможных состояний ТЭК.

В среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ реализованы:

- возможность проведения анализа узлов и траекторий графа по выбранному набору индикаторов ЭБ;

- поддержка выбора рациональной и субрациональных с позиций ЭБ траекторий развития ТЭК.

В рамках данной среды организовано взаимодействие с компонентами ПВК «Корректива».

В разработанной подсистеме индикативного анализа состояний ТЭК с использованием элементов когнитивной графики реализован детальный анализ индикаторов ЭБ для каждого возможного перспективного состояния энергетики страны и ее регионов, в том числе на уровне обобщенных оценок индикаторов. Значения индикаторов ЭБ и их оценки определяются в подсистеме расчета индикаторов ЭБ.

Использование в ПВК «Корректива» разработанной системы поддержки индикативного анализа ЭБ России позволило в наглядном виде с использованием принципов индикативного анализа исследовать возможные варианты и направления развития энергетики России и ее регионов с позиций ЭБ, создавая тем самым базу для экспертных оценок в отношении принятия решений по предпочтительности тех или иных направлений учета требований ЭБ при реализации таких вариантов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях научной молодежи ИСЭМ СО РАН в 2005 - 2007 г., X Байкальской Всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке, технике, образовании», XI международной конференции «Информационные и

10 математические технологии в научных исследованиях». Основные результаты опубликованы в [19-22].

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение

При выполнении данной работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработаны принципы учета требований ЭБ при анализе графа развития ТЭК, созданного с помощью методов комбинаторного моделирования.

2. Выявлены требования к системе поддержки индикативного анализа ЭБ России, включая требования

- к среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ;

- к подсистеме индикативного анализа возможных состояний ТЭК.

3. Разработаны технология создания системы поддержки индикативного анализа ЭБ России, включающая:

- технологию создания среды для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ;

- методику адаптации существующего программного обеспечения индикативного анализа на примере программного комплекса DashBoard.

4. Предложена модель подсистемы отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ.

5. На основе предложенной технологии в рамках ПВК «Корректива» разработана система поддержки индикативного анализа ЭБ России, включающая подсистему индикативного анализа возможных состояний ТЭК, среду для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ, подсистему расчета индикаторов ЭБ.

6. В разработанной среде для отображения графов развития ТЭК и их анализа с позиций ЭБ реализованы:

- анализ возможных состояний ТЭК и направлений его развития по важнейшим индикаторам ЭБ с привлечением графических решений;

- поддержка выбора рациональной с позиций ЭБ траектории развития ТЭК;

- взаимодействие с подсистемой индикативного анализа возможных состояний ТЭК и подсистемой расчета индикаторов ЭБ.

7. В разработанной подсистеме индикативного анализа возможных состояний ТЭК реализована возможность проведения детального анализа индикаторов ЭБ возможных перспективных состояний ТЭК.

8. Разработанная система поддержки индикативного анализа ЭБ России была апробирована в рамках базового проекта ИСЭМ СО РАН «Обоснование направлений развития энергетики России с позиций ЭБ на перспективу до 2020 года». При апробации проведены исследования путей развития энергетики России и ее федеральных округов на период 2005-2020 год по пятилеткам с учетом заданных потребностей в ТЭР для оптимистического и умеренного сценариев развития энергетики. В ходе исследования были выбраны допустимые по состоянию анализируемых индикаторов траектории развития ТЭК, среди которых экспертно выделены более приоритетные с позиций ЭБ направления развития энергетики России и ее федеральных округов.

Дальнейшее развитие работы может быть связано с необходимостью исследования развития энергетики субъектов России (областей, краев). Подобная территориальная детализация может привести к значительному увеличению числа возможных состояний ТЭК. Поэтому для получения разумного числа конечных состояний в графе развития ТЭК возможно ужесточение вводимых ограничений, включая введение новых критериев оценки возможных состояний ТЭК. Другим вариантом организации работы с результирующим графом может стать выделение в нем при визуализации подграфов со схожими состояниями. Подобная визуальная структуризация может позволить наглядность и информативность проводимого анализа.

1. Энергетическая безопасность России / В.В. Бушуев, Н.И. Воропай, A.M. Мастепанов, Ю.К. Шафраник и др. - Новосибирск: Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1998. - 302 с.

2. Воропай Н.И., Рабчук В.И., Сендеров С.М. и др. Газа всем не хватит // Мировая энергетика. 2006. - № 3 (27). - С.38-41.

3. Воропай Н.И., Пяткова Н.И., Рабчук В.И. и др. Энергетическая безопасность . России: стратегические угрозы // Энергетическая политика. 2006 - №1. -С.45-54.

4. Бондаренко А.Н., Пяткова Н.И., Сендеров С.М. и др. Применение двухуровневой технологии исследований при решении проблем энергетической безопасности // Известия РАН. Энергетика. 2000 - №6. - С. 31-39.

5. Пяткова Н.И., Рабчук В.И., Сендеров С.М. и др. Методические вопросы корректировки направлений развития энергетического комплекса государства с позиций энергетической безопасности // Изв. РАН. Энергетика. 2005. -№5.

6. Зенкин А.А. Когнитивная компьютерная графика / Под ред. Д.А. Поспелова. М: Наука, Гл. ред. Физ.-мат. Лит., 1991. - 193 с:

7. Land Use Planning Tools Режим доступа: http://www.smartcommunities.ncat.org/landuse/tools.shtml; 08.09.2007.

8. Домашняя страница RNEL Режим доступа: http://www.nrel. gov/analvsis/ -08.09.2007.

9. Free software for managing and" analysing data Режим доступа: http://www.sustainableworld.com/reference/software.htm - 08.09.2007.

10. National center for environmental decision-making research Режим доступа: http://www.sunsite.utk.edu/ncedr/tools/ - 08.09.2007.

11. Sustainable Cities Research Institute Режим доступа: http://www.sustainable-cities.org.uk/ - 08.09.2007.

12. Домашняя страница CAIT Режим доступа: http://cait.wri.org/ - 08.09.2007.15;EpiData software Режим доступа: http://www.epidata.dk/ - 08.09.2007.

13. Social Science Data Analysis Network Режим доступа: http://www.sdan.net/kidscount/data.shtml - 08.09.2007.

14. The information systems for economic and social development in the Latin American and Caribbean region Режим доступа: http://www.eclac.cl/ -08.09.2007.

15. DashBoard http://esl.irc.it/envind/dashbrds.htm

16. Береснева H.M. Решение проблемы анализа и отображения рациональных с позиций энергетической безопасности из множества вариантов развития ТЭК // Вестник ИрГТУ.- Иркутск: ИрГТУ, 2006: №2 (26). - С.69-72.

17. Береснева H.M. Разработка многокомпонентной среды для исследования графов развития ТЭК с позиций энергетической безопасности // Системные исследования в энергетике. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2006. С.261-267.

18. Клименко С.М. Методические подходы к изучению проблемы энергетической безопасности. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Мурманск, 1996.

19. Безопасность России Правовые, социально-экономические и научно-технические аспекты. Энергетическая безопасность (ТЭК и государство) -М: МТФ «Знание», 2000 304 с.

20. Резников А.П., Бережных Т.В., Васильева Э.В. и др. Будущая природная обстановка в Приангарье и экологическая устойчивость (прогностическая экспресс-информация с комментарием). Иркутск: СЭИ СО РАН, 1995. - 32 с. -Препринт.

21. Бушуев В.В., Троицкий А.А. Мониторинг реализации в 2004 г. «Энергетической стратегии России на период до 2020 г.» // Теплоэнергетика. 2005. -№12. - С.2-5.

22. ЗО.Бушуев В.В., Троицкий А.А. Результаты мониторинга Энергетической стратегии России, проблемы ее реализации и энергоэффективность экономики // Теплоэнергетика. 2005. - №2. - С.2-8.

23. Энергетика России. Стратегия развития. Научное обоснование энергетической политики / Минэнерго РФ, ИЭС. М., 2003. - 799 с.

24. Яновский А.Б., Бушуев В.В., Саенко В.В. и др. О ходе реализации в 2003 году Энергетической стратегии России на период до 2020 года // Энергетическая политика. 2004. - Вып. 2. - С.14-19.

25. Системы поддержки принятия решений для исследования и управления энергетикой / Н.Н. Антонова, И.Н. Бобырева, Н.В. Бычкова и др. / Под ред. А.П. Меренкова. Новосибирск: Наука. Сиб. предприятие РАН, 1997. - 162 с.

26. Системные исследования проблем энергетики / JLC. Беляев, Б.Г. Санеев, С.П. Филиппов и др.; Под ред. Н.И. Воропая. Новосибирск: Наука. Сибирская фирма РАН, 2000. - 558 с.

27. Пяткова Н.И. Исследование и обоснование условий для надежного топливо-и энергоснабжения потребителей в переходный период: автореферат дис. . канд. техн. наук (05.13.18) Иркутск, 1996. - 21 с.

28. Интеграция информационных технологий в системных исследованиях энергетики / JI.B. Массель, Е.А. Болдырев, А.Ю. Горнов и др.; под ред. Н.И. Во-ропая. Новосибирск: Наука, 2003. - 320 с.

29. Методы и модели исследования живучести систем энергетики / Г.Н. Антонов, Г.Н. Черкесов, Л.Д. Криворуцкий и др. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. 285 с.

30. Еделев А.А. Разработка специализированной инструментальной среды для исследования проблем живучести больших трубопроводных систем: автореферат дис. . канд. техн. наук (05.13.18) -Иркутск, 2001. -21 с.

31. Информационная технология исследований развития энергетики / Л.Д. Криворуцкий, Л.В. Массель. Новосибирск: «Наука». Сиб. издательская фирма РАН, 1995. - 160 с.

32. Криворуцкий Л.Д. Имитационная система для исследований развития топливно-энергетического комплекса. Новосибирск: Наука, 1983.

33. Макагонова Н.Н., Массель Л.В. Трипутина В.В. Диалоговая система построения СУБД ориентированных программных комплексов. - Иркутск: СЭИ СО АН, 1990. Препринт.

34. Богатырев^ Л.Л., Мезенцев П.Е., Бобырева И.Н. Оценка энергетической и экономической безопасности региона на основе теории нечетких множеств // Методические вопросы исследования-надежности больших систем энергетики, 1997 Выпуск 49 С.348-360

35. Комплексная методика диагностики энергетической безопасности, территориальных образований Российской Федерации (вторая редакция). / Куклин А.А., Калинина А.В., Литвинов В.Г. и др. Препринт. Екатеринбург: Институт экономики Уро РАН, 2002. 80 с.

36. Богатырев Л.Л., Кожов К.Б., Мардер Л.И. и др. Исследование энергетической безопасности территорий в условиях нечеткой и неопределенной информации // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. Мурманск, 1996.

37. Массель JI.B., Болдырев Е.А. Моделирование и разработка современных программных комплексов .для исследований энергетики // Вычислительные технологии 2002. - т.7- №4 - С. 59-70.

38. Болдырев Е.А. Современные архитектуры и технологии построения программных комплексов / под ред. Массель JI.B. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001 - 54 с. - Препринт.

39. Болдырев Е.А. Современная архитектура программного обеспечения и пример ее реализации // Современные подходы к интеграции информационных технологий. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. - С.20-32.

40. Болдырев Е.А. Подход к созданию объектно-ориентированных программ с расширяемой функциональностью // Системные исследования в энергетике. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. - С. 193-199.

41. Виленкин Н.Я. Комбинаторика. М: Наука, 1969. - 328 с.

42. Воропай Н.И., Клименко С.М., Ковалев Г.Ф. и др. Основные положения и методология мониторинга и индикативного анализа энергетической безопасности России и ее регионов. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 1998 г.- Препринт.

43. Надежность топливо- и энергоснабжения и живучесть систем энергетики регионов России / Под науч. ред. Н.И. Воропая, А.И. Татаркина. Екатеринбург: Изд-во Урал, ун-та, 2003. - 392 с.

44. Сендеров С.М. Модельно-индикативный подход к оценке уровня энергетической безопасности страны при различных вариантах развития ^энергетики // Известия РАН. Энергетика. 2005. - №4. - С. 3-9

45. IPAT-S. Режим доступа: http://ipat-s.kb-creative.net/ - 10.10.2007:

46. Конечные графы и сети. Бассакер Р., Саати Т., первод с анлийского, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», Москва, 1973, 368 стр.

47. Лисицын И.А. Системы визуализации и редактирования графовых объектов. Новосибирск, 2000. - 43 с. - Препринт.

48. Mutzel P., Junger М. Graph Drawing Software, Springer-Verlag, 2003.

49. Gansner E.R., North S.C. An Open Source Graph Visualization System and Its Applications to Software Engineering // Software Practice and Experience -2000. - vol. 30, №11, P. 1203-1233.

50. Домашняя страница LEDA. Режим доступа: http://www.algorithmic-solutions.com/enleda.htm - 08.09.2007.

51. Melhorn К., Naher S. LEDA: a platform for combinatorial and geometric computing // Communications of the ACM 1995. - vol. 38, № 1, P. 96-102.

52. Домашняя страница Boost Graph Library. Режим доступа: http://www.boost.org/libs/graph/doc/index.html - 08.09.2007.

53. Домашняя страница Tom Sawyer Software. Режим доступа: http://www.tomsawver.com - 08.09.2007.

54. Домашняя страница tulip Режим доступа: http://www.tulip-software.org -08.09.2007.

55. Чернобаев A. A. AGraph: библиотека классов для работы с помеченными графами.

56. Домашняя страница библиотеки JUNG. Режим доступа: http://iung.sourceforge.net/ - 08.09.2007.

57. Домашняя страница библиотеки yFiles. Режим доступа: http://www.vworks.com/ - 08.09.2007.

58. Домашняя страница JGraph. Режим доступа: http://www.i graph.com/ -08.09.2007.

59. Домашняя страница Graph Viz Режим доступа: http://www.graphviz.org/ -08.09.2007.

60. Домашняя страница Zoomgraph Режим доступа: http://www.hpl.hp.com/research/idl/proiects/graphs/zoom.html - 08.09.2007.

61. Adar Е., Tyler J.R. Zoomgraph Manual Режим доступа: www.hpl.hp.com/shl/proiects/graphs/doc/zg-manual.htm - 08.09.2007

62. Adar Е. GUESS: a language and interface for graph exploration // CHI 2006, Montreal, Canada, Apr. 22-27, p. 791-800, 2006.

63. Adar E, Miryung K., "SoftGUESS: Visualization and Exploration of Code Clones in Context," ICSE 2007

64. Домашняя страница системы исследования-графов GUESS Режим доступа: http.V/graphexploration. cond.org/ - 09.09.2007.

65. Домашняя страница Jython Режим доступа: http://www.ivthon.org -09.09.2007.

66. Сницаренко П.Н. Об одном подходе к решению задачи оптимизации в многокритериальном пространстве // Электронное моделирование 2001. - Т.23 -№5. - С.60-68.

67. Дюк В., Самойленко A. Data mining: учебный курс (+CD). Спб: Питер, 2001.-368 е.: ил.

68. Гослинг Д, Арнольд К. Язык программирования Java / Перев. С англ. СПб: Питер, 1997.-304 с.: ил.

69. Python homepage Режим доступа: http://www.python.org/ - 10.10.2007.99.http://search.techrepuclic.com/search/analvsis+and+finance+andtool.htm

70. Forex Softwaer rewies Режим доступа: http://www.eforexsoftware.org/ -08.09.2007.

71. Missouri Bussines Development Program Режим доступа: http://www.missouribussiness.net/librarv - 08.09.2007.

72. Оценка возможностей газовой отрасли в обеспечении энергетической безопасности России в период с 2000 г. по 2020 г. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001 -51 с.- Препринт.