автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Систематика и кодирование в структуре информационного обеспечения контейнерных перевозок

Дудакова Анастасия Владимировна

СИСТЕМАТИКА И КОДИРОВАНИЕ В СТРУКТУРЕ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОНТЕЙНЕРНЫХ ПЕРЕВОЗОК

Специальность: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 МАЙ 2011

Иркутск-2011

4848032

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Корольков Борис Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Аршинский Леонид Вадимович

кандидат технических наук, доцент Макагонова Надежда Николаевна

Ведущая организация: ГОУ ВПО "Иркутский государственный

технический университет", г. Иркутск

Защита состоится «16» июня 2011 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 при ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.

Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, прошу выслать в адрес диссертационного совета. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «10» мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

И. И. Тихий

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время ставится задача усиления железнодорожной составляющей в формировании транспортной политики государства, а также конкурентоспособной интеграции российских железных дорог в европейское транспортно-экономическое пространство. В решении указанных задач важную роль играет информационная поддержка. Однако в области информационного обеспечения недостаточно развиты стандарты по взаимодействию национальных баз данных между собой и с базами сторонних операторов, пользователей услуг железнодорожного транспорта, с органами и ведомствами, имеющими отношение к процессу перевозки, что приводит к значительным затруднениям в обработке информации, неэффективному использованию вычислительных ресурсов. В системе контейнерных перевозок с её глобальной инфраструктурой задействовано большое количество разрозненных субъектов и видов транспорта, что главной задачей можно назвать их информационное объединение.

В области системного анализа - основного инструмента диссертации, следует отметить классические работы Берталанфи JL, Месаровича М., Оптнера С., Волковой В.Н., Перегудова Ф.И., Тарасенко Ф.П., Спицнадель В.Н. и др. В решении задач управления железнодорожными перевозками и их информационного обеспечения принимали участие: Петров А.П., Буянов В.А., Угрюмов Г.А., Тишкин Е.М., Тулупов Л.П., Иловайский Н.Д., Писарев А.П., Рыбаков О.М., Гапанович В.А., Осьминин А.Т., Мишарин A.C. и др.

На современном этапе интеграционные задачи решаются на основе онтологического подхода. Большой вклад в развитие онтологии внесли такие зарубежные учёные как Gruber Т., Guarino N., Lenat D. В., Guha R. V., Noy N., McGuinness. D., Smith В., Calvanese D. Следует отметить работы российских учёных: Гавриловой Т. А., Хорошевского В. Ф., Когаловского М. Р.,

Тузовского В. Ф., Ямпольского В. 3., Серебрякова В. А., Калиниченко JL А.,'Л

\ \

Массель JI. В., Макагоновой Н. Н., Скрипкина С. К, и др. Онтологии нашли применение в области больших систем энергетики (Ворожцова Т.Н.), медицинской диагностики (Клещев A.C., Москаленко Ф.М.) и др.

Представляется перспективным применение онтологического подхода в решении задач управления контейнерными перевозками и обеспечения более высокого уровня взаимодействия между ключевыми процессами.

Объект исследования в диссертации - железнодорожная система управления контейнерными перевозками и её информационное обеспечение.

Предметом исследования является онтологическое моделирование и кодирование подвижного состава на основе систематики.

Цель диссертации: повышение эффективности управления контейнерными перевозками за счет совершенствования структуры системы информационного обеспечения на основе концепции систематики и онтологического подхода.

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач: - выполнить анализ использования действующих информационных систем (ИС) на железнодорожном транспорте, подходов к интеграции информационных ресурсов; исследовать возможность . использования онтологии для построения модели данных и представления знаний на железнодорожном транспорте;

-разработать метод создания онтологий на основе привлечения возможностей систематики; разработать систематику и кодирование контейнеров с целью обеспечения полноты охвата транспортных модулей; -разработать обобщённую онтологию верхнего уровня, онтологическую модель предметной области, схему интеграции разнородных данных прикладной задачи на примере контейнерного терминала.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, онтологический подход, синергетические методы представления структуры сложных систем, теория графов, теория систем баз данных, информационное моделирование, методы систематики

и кодирования.

Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые предложено использовать возможности систематики предельно полно представлять некоторую область знания для создания научно обоснованной методики построения онтологий разных уровней.

2. Обобщённая онтология верхнего уровня (ОВУ), содержащая наиболее общие научные категории, упорядоченные по рангам, с указанием выхода на практические ОВУ и на онтологии предметных областей.

3. Систематика и структура инвентаризационного кодирования контейнеров железнодорожного транспорта, позволяющая единообразно идентифицировать контейнеры и прочие транспортные средства.

Направление работы определено Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»: 1.2. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела по информационным технологиям»;

5.1. «Развитие информационной инфраструктуры хранения и передачи новых знаний»,

утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. (№ 613).

Личный вклад. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором. Совместно с д-ром техн. наук, профессором Б.П. Корольковым выполнена первоначальная постановка задачи объединения возможностей систематики и онтологического подхода, ориентированных на поддержку взаимодействия между транспортными информационными системами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на V Всероссийской научно-технической конференции

«Политранспортные системы» (2007 г., Красноярск, СФУ); Х1-Х1У Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2007-2010 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ); ХП-ХУ Байкальской всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (2007-2010 г., ИСЭМ СО РАН); Межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (2009 г., Иркутск, ИрГУПС), на семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» в 2007-2010 годах.

Достоверность разработок подтверждается сопоставлением предложенных подходов к систематике и кодированию подвижного состава, построению иерархии онтологий ИС с существующими практическими схемами.

Практическая значимость. Предложенная методика разработки и построения онтологий всех уровней с использованием совокупности систематик предметных областей, общенаучных категорий способствует единообразному представлению знаний в информационных системах, обеспечивает прикладную сторону разработки моделей ИС. Материалы работы используются в учебном процессе института Информационных технологий ИрГУПС. Построена онтологическая модель функционирования контейнерного терминала Агентства на ст. Батарейная - филиала ОАО "ТрансКонтейнер" на Восточно-Сибирской железной дороге. На результаты диссертационного исследования получены положительные отзывы службы коммерческой работы в сфере грузовых перевозок ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» и Агентства на ст. Батарейная - филиала ОАО "ТрансКонтейнер" на Восточно-Сибирской железной дороге.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных положений диссертационных работ.

Структура it объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёхглав, заключения, списка литературы из 155 наименований и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 150 страниц, в том числе 36 рисунков, 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку проблемы, приведены цель и задачи исследования, научная новизна диссертационной работы, выносимые на защиту научные положения и результаты, дана структура диссертации.

В первой главе проведён системный анализ процесса использования действующих информационных технологий на железнодорожном транспорте; оценены имеющиеся на сегодняшний день методы и средства интеграции разнородных данных в сфере перевозок. Железнодорожная отрасль рассматривается как многоуровневая организационно-техническая структура, частью которой является контейнерная подсистема. Её информационное обеспечение включает в себя ряд автоматизированных систем управления, обеспечивающих различные процессы функционирования, нормативно-справочную информацию, базы данных, программное обеспечение информационно-управляющих систем.

Несмотря на то, что в 2002 г. Минтрансом было принято решение о создании единого информационного пространства транспортного комплекса страны на базе единой магистральной цифровой сети связи российских железных дорог ОАО «РЖД», уровень информационного взаимодействия внутри транспорта и с другими отраслями экономики всё ещё недостаточен, что сдерживает освоение международных транспортных коридоров в пределах России и интеграции её в мировую коммуникационную систему. Определена необходимость развития единой идеологии, которая позволит на новом технологическом уровне решать задачи инвентаризационного учёта транспортных единиц, взаимодействия информационных систем, а также включать принципиально новые возможности для анализа и синтеза данных.

Выполнен обзор основных технологий и принципов построения современных ИС, основанных на знаниях. Сравнительный анализ различных интеллектуальных технологий позволил выделить ряд общих для них черт, главная из которых связана с использованием тех или иных классификаций понятий. Определена перспективность онтологий как метода организации и интеграции данных.

Рассмотрен ряд инструментов для создания и поддержки онтологий. Дан обзор прикладных онтологий. В российских информационных системах железнодорожного транспорта онтологии пока не нашли широкого применения, используются базы данных, формат функционирования которых не менялся многие годы.

Анализ основных аспектов показал, что теория пока не предлагает универсальной методики разработки онтологий. Обоснована необходимость глубокого теоретического базиса для достижения цели создания развитой онтологии транспортной отрасли. Такой фундаментальной предпосылкой в диссертации выбрана систематика - совокупность методов описания структуры и взаимоотношений между различными группами объектов (таксонами), а также основанное на ней инвентаризационное кодирование.

Во второй главе в рамках развития концепции систематики железнодорожного транспорта, создаваемой в ИрГУПС и содержащей к настоящему моменту демонстрационные результаты по подвижному составу, разработана систематика контейнерного парка как составляющая единой систематики транспорта.

В диссертации таким образом поставлена задача расширения систематики подвижного состава пассивными средствами доставки. На рис. 1 представлена многомерная матрица (трёхмерная - для обеспечения хорошей наглядности), отображающая структуру ранга V Колейные, где присутствует интересующий нас род Контейнеры (выделенный слой). Он характеризует транспортные средства, многократно используемые в одном или нескольких видах транспорта и предназначенные для перевозки или

Семейство V - Колейные

й - подвид

130тсрми-ческий

хопггср

прицепной вагон

крытый

рельсовый автобус

полувагон

керосиновый моторвагон

прочие

транспортёр

газогенераторный

бензиновый моторвагон

атобапокный

днзельн. ^Ч, .моторвагон

балластная призма

керосиновый

бензиновый

дизельный

Слой КОНТЕЙНЕРЫ

Рис. 1. Объёмная матрица «Семейство Колейные» систематики железнодорожного подвижного состава

временного хранения грузов. Контейнеры в этой матрице можно сопоставить с Вагонами, так как они оба представляют собой транспортные модули. Но в отличие от вагонов контейнеры не имеют ходовой части. Схематично построенную систематику предлагается использовать для выработки идентификационного номера каждого контейнера, опираясь при этом на разработанную в ИрГУПС методику кодирования вагонов, локомотивов, моторвагонного и специализированного подвижного состава. Предлагаемый 14-значный контейнерный шифр (рис. 2) единообразен для подвижного состава любого вида транспорта. Такая структура кода удовлетворяет основным требованиям, предъявляемым к ней международными организациями ОСЖД/МСЖД, - быть уникальным, значимым, содержать разряды для режима интероперабельности, страны и основных технических характеристик, единообразного номера регистрации.

<— Шифр

<— Обобщённый шифр (объекта уникального ряда)

Структура существующего (принятого на ЖДТ) маркировочного кода относится только к контейнерам железнодорожного транспорта и состоит, как правило, из двух строк и содержит 17 знаков: 6 букв латинского алфавита и 10 арабских цифр, кроме того среднетоннажные и крупнотоннажные контейнеры имеют разные структуры шифра.

14-значный кодовый номер содержит в себе достаточно полную совокупность сведений, он может также способствовать внедрению технологии распределённых баз данных, онтологий и стать основой создания единого информационного пространства логистических операций в

1 |1 |1 |3 ¡2

а в в

я

А*

53

ЕЙ

за в«, г«

сю

Яа

8

В

3

и а ь

и

в _

и а

4

Рис. 2. 14-значный контейнерный шифр

транспортной отрасли. Структура универсального кодирования объектов уникального ряда, предложенная ИрГУПС, открывает дополнительные возможности на пути формализации построения онтологий. Речь идёт о кодировании рангов и координат элементов систематики и на этой основе лаконичного позиционирования сущностей и их свойств в онтологии.

Третья глава посвящена разработке методического подхода к онтологическому моделированию на основе систематики. Исследованы основные существующие плоскостные схемы онтологий верхнего уровня (ОВУ), в том числе ОВУ SUMO и онтология Джона Совы (как наиболее продуманные и хорошо организованные) и отмечены их ограничения. Предложено перейти от многочисленных частных схем к систематике онтологий, что лучше обеспечит моделирование прикладных задач. По существу все ОВУ, построенные на основе эмпирических соображений, представляют собой разнообразные классификации, содержащие тысячи понятий, разобраться в которых нелегко. Отсюда очевидно, что работы упомянутых и других исследовательских коллективов и организаций не имеют какого-либо фундаментального начала. Таким началом в диссертации принята систематика всех уровней.

В данной работе предлагается преодолеть ограничения частного путём построения изначальной (предельно общей) ОВУ, вводящей общенаучные категории. Подобная постановка не встречалась в литературных источниках, поэтому на первом этапе заявленного подхода целесообразно исходить из простейшей систематики линнеевского типа, учитывающей, однако, специфику ОВУ. Такую ОВУ можно назвать обобщённой схемой. Она обеспечивает базовое представление ОВУ и даёт наглядное отражение их взаимосвязей, позволяет учесть необходимое множество метапонятий. С опорой на неё можно унифицировать подход к разработке онтологий. В диссертации показана связь практической ОВУ SUMO с предлагаемой обобщённой схемой (рис. 3). При построении систематики онтологии верхнего уровня представляется естественным использование накопленных

Физическая

'твержденив;

Процесс

Величина

Отношение

ранги, категории, отношения, связи

СУЩЕЕ

категория (ранг)

•ИДЕАЛЬНОЕ

понятие, \ отражение I \ множество,.' пространство

материя

энергия

число

потенциальная кинетическая, внутриатомная

взаимодействие

механическое, химическое, электромагнитное. ядерное_

моменты, длительность, ориентированность

движени

локализация

С0СТОЯНИ

ррганизация

перемещение относитсльносп

процесс

система'

^принцип, идея

алфавит,

синтаксис,

морфология

переходы: взаимные,

агрегатные, критические

теория, знание

самоорганизация

моделирование

предметная

онтология:

химия,

физика,

биология,

социология

искусственный интеллект

математика, информатика

литература,

искусство,

театр

операция, правило

структура

грамматика

величина, модель

символ, буква слово, предложение

Рис. 3. Связь обобщённой плоскостной онтологии верхнего уровня и ОВУ SUMO

знаний по классификациям и концептам существующих онтологии. Заданная схема ОВУ логически доведена до онтологии предметных областей, например транспорта, каждая из которых может быть продолжена на онтологии прикладных задач.

Для перехода от обобщенной (рамочной) онтологии верхнего уровня к практическим ОВУ проведен анализ основных категорий и их атрибутов. Основными компонентами концептов в онтологии служат категории отношения и связи. Они вполне конкретны для соответствующих рангов и могут быть заданы в наглядно воспринимаемом трёхмерном пространстве на уровне указанных категорий и пронумерованы вдоль своих осей для целей продвижения по пути формализации (рис. 4).

Онтология предметной области (транспортной) использует наряду с

I Материя

\ .

о. о

Предметная онтология ^

Взаимодействие 2

Состояние 4

Движение 3

Система в

Процесс 5

субстанциональная ; •

*ч,2 силовая

"Ч внутренняя "Ч^ внешняя

структурная 44д случайная 44 7 прямая

8 обратная

^д детерминированная ^ о корреляционная

""»11 жёсткая "V) 2 гибкая

к

У

Рис. 4. Расшифровка трёхмерной матрицы совокупности свойств по категориям

Пути'

Транспорт

': Естественные ч Стихийные < Дефлекторы ч Ориентированные

классифицируются

Дефлекторные

Статические

Терминалы

Пассажирский

Свободные Д^Ц

кдаеСйфиц;

Аэродинамические

> Самолёты-. : Аэропланы ч

. Автомобильный ■ Воздушный Водный . .

Железнодорожный

. Магистральный . Погрузо-разгрузочный ' Приёмо-отправочный * Подкрановый. ' Тупиковый

Водоизмещающие г /

Суда

Железнодорожные

Вагоны ч Контейнеры ч Совмещённые ч Локомотивы ч

Повозки Экипажи

рузовои 1

Контейнерный терминал

ясдючает

Вспомогательный

"•"Автомобили_

Прицепы Веломобили

Легковой Грузовой "►Автобус Мотоцикл

ТСК СВХ СДХ ПРМ

Подвижной состав. Пути

Рис. 5. Онтология транспорта (неформализованное представление)

Условные обозначения: ТСК - транспортно-складской комплексу СВХ - склад временного хранения; СДХ — склад длительного хранения; : ПРМ — погрузо-разгрузочные механизмы.

верхними уровнями таксономии средние ранги систематики транспорта (рис.5). Дальнейшие действия заключаются в выделении сущностей каждой категории и организации связей между ними. Основная задача систематической проработки данного раздела - задать структуру онтологии, облегчить понимание, представление и интеграцию. Всё это даётся на примере крупного элемента железнодорожной системы - контейнерной подсистемы. На основе систематики построена онтология работы контейнерного терминала (рис. 6), представленная в виде направленного ациклического графа; показана возможность реализации онтологии задачи нижнего уровня и её связи с онтологиями предметной области и верхнего уровня.

В качестве средства разработки онтологии выбран редактор Protégé 4, где для представления структуры онтологии используется язык OWL (Web Ontology Language), рекомендованный консорциумом W3C. С помощью OWL можно закодировать диаграммы «сущность-связь». Основная идея онтологического подхода - изучение логических следствий, вытекающих из того, что концепты обладают определёнными свойствами. Блоки рассуждений (ReasoningEngine - машина вывода) OWL обеспечивают поиск скрытых отношений, конфликтов и пропущенных элементов. Концептуальные модели, построенные на базе OWL, могут использоваться для объединения информации.

Ниже приведен фрагмент онтологической модели, описывающий класс Сотрудники с помощью языка разметки онтологии OWL.

//Class: http://w%vw.semanticweb.org/ontologics/20 lO/lO/Ontology1290753.о%'1#Сотрудш1КИ Declaration(OWLClass(CoTpyflHHKH))

SubClassOf(CoTpyOTHKH ObjectMaxCardinality(l назначен Должности)) SubClassOf(CoTpyflHHKH ObjectSomeValuesFrom(pa6oTaeT Подразделение)) SubClassOf(CoTpyflHHKH ObjectSomeValuesFrom(OTBeTCTBeHHbiii_3a Предметы_заказа)) SubClassOf^CoTpyflHHKH owl:Thing)

DisjointClasses(Biiflbi_yaiyr, Грузы, Документы, Должности, Контрагенты,

Рис. 6. Онтологическая модель работы контейнерного терминала

Лицевые_счета, Подразделение, Код_перевозочного_средства, Терминалы, Транспортное_средство, Сотрудники, Операции))

В четвертой главе для разработки единой структуры И С рынка контейнерных перевозок и интеграции гетерогенных данных с помощью онтологии выполнены следующие исследования: проанализирована контейнерная подсистема как уровень приложений в задаче моделирования, разработана совокупность информационных моделей, проведена структуризация функционирования в задаче отправления контейнеров.

Многочисленные источники информации, необходимые для эффективной работы ИС рынка контейнерных перевозок создаются специалистами различного профиля с использованием отличных друг от друга информационных технологий и инструментария. Подход, основанный на онтологии, позволяет собирать и представлять общую информацию в нейтральной по отношению к языку форме и сохранять эту информацию в центральном репозитории.

По результатам предпроектного обследования предметной области на первом этапе создания прототипа БД использована инфологическая модель (рис. 7) и диаграммы бизнес-процессов. Такой выбор обеспечивает относительную простоту подходов, возможность графического представления и наличие доступных CASE-средств для построения данных моделей.

В диссертации инфологическая модель базы данных построена с использованием онтологии контейнерного терминала (см. рис. 6) и представлена в виде модели «сущность-связь» (или Entity Relationships) в графической нотации Чена. Модель включает сущности, связанные между собой по определенным правилам, диктуемым предметной областью, и атрибуты. На основе ER-модели, диаграмм потоков данных с применением CASE-средств ER-Win, BP-Win синтезированы даталогическая и физическая модели для создания прототипа базы данных задачи управления контейнерными перевозками. Структура и количественное содержание

Рис. 7. Фрагмент инфологической модели контейнерного терминала

Семейство транспорта

Код семейства (РК)

Наименование семейства

к _ га л

см го ^ о ц 2 * 5 3

Ой®

£ га о. ¿3 с

Транспортное средство

Коп ТС (РЮ

Код семейства (РК) Код рода (РК) Код вида (РК) Код подвида (РК) Код разновидности (П<) Код региона (РК) Код собственника (РК) Грузподъёмность Масса брутто Масса тары

Дата последнего ремонта

Род транспорта

Код рода СРЮ

Наименование рода Код семейства <РК)

Вид транспорта

[Код вида (РЮ

Наименование вида Код рода (П<)

Подвид транспорта

Код подвида (РЮ

Наименование подвида Код вида (РК)

Разновидность транспорта

Код разновидности (РК)

Наименование разновидности Код подвида (ГК)

Собственник транспорта

Код собственника (РК)

Наименование собственника

Регион мира

Код региона (РК)

Наименование региона

Блок 01

Рис. 8. Логическая модель данных, используемая для проектирования БД ИС

Сотрудники

Табельный номер (РК)

Блок 02

.Фамилия Имя

Отчество ИНН

Подразделение (РК) Должность (РК) Место жительства Дата рождения_

Подразделение

Код подразделения (РК)

Название

Код терминала (РК)

Должность

Код допжности(РК)

ИНН клиента (РК) .

Наименованы е Почтовый адрес Телефон_

Код заявки (РК)

Дата регистрации Дата согласования Номер договора Период заявки с Период заявки до Экспедитор Грузоотправитель Ппателыдик Станция отправления Вид сообщения Сотрудник-исполнитель

Накладная

Номер заказа (РК)

Цата составления Код заявки (РК) ИНН клиента (РК) Ответственный аа г.

Номер накладной (РК)

Номер заказа (РК)

Грузополучатель (РК)

Код контейнера (РК)

Код вагона (РК)

Дата погрузки

Дата визирования

Ответственный за составление

Вид услуги

(РК)

Акт приема-передачи КЭУ-16

Номер КЭУ-16(РК)

Номер накладной (РК) Дата выдачи контейнера Дата приёма контейнера Доп. сведения Ответственный за составление (РК)

Код услуги (РК)

Наименование услуги _ Описание услуги

Единицы измерения

!Код единицы (РК) 1

Пропуск

Терминал

Код терминала(РК)

Наименование Адрес

Отправка 4

Номер отправки (РК)

Код заявки (РК) Станция назмачения(РК] Груэ(РК)

Количество тонн груза Количество контейнероЕ Вид сообщения Дата отправления

Груз

Код груза (РК)

Наименование Описание

Номер счета (РК)

> Дата составления Номер заказа (РК) Сумма оплате

Предметы заказа

Номер (РК)

Номер заказа (РК) Код транспортного средства (РК)| I Код по прейскуранту (РК) | Количество Цена

Прейскурант

Номер (РК)

Код услуги (РК) I Код единицы измерения (РК) "Стоимость за единицу услуги

. Номер пропуска (РК)

Номер накладной (РК) Водитель (РК) Код контейнера (РК) Код автомобиля (РК) Дата составления НОтя«*тгтпдмИ1.|й -»Я г/утаипянмя (РК)

Уел у га-л оста вщи к

Код услуги (РК) • Код поставщика (РК)

Поставщик услуг

Код поставщика (РК)

Наименование Адрес

Топлф^м

Рис. 8. Логическая модель данных, используемая для проектирования БД ИС (продолжение).

идентификационного кодирования транспортных средств, основанные на разработанной систематике подвижного состава, использованы при организации логической модели данных, что позволяет эффективно хранить сведения о транспортных средствах в единой форме (рис. 8).

В рамках OBDA (Ontology-Based Data Access) - подхода предлагается архитектура системы семантического объединения данных на основе онтологий (рис. 9). Онтология играет роль высокоуровневой концептуальной схемы, обеспечивающей пользовательский интерфейс. Таким образом, онтологии являются посредником между пользователем с его информационными потребностями и системой базы данных.

Построена схема получения ответа на запрос при объединении данных на основе онтологий:

- запрос, направленный онтологии, переформулируется, используя только интенсиональный уровень (ТВох);

- результатом является запрос в виде логики первого порядка (FOL), который может выполняться на экстенсиональном уровне АВох (представленный в

на основе онтологий

реляционной СУБД);

- отображение полученного запроса в среду реляционной системы БД (формулировка на языке SQL);

- обработка запроса в реляционной БД;

- передача результата выполнения запроса пользователю.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена важная научно-техническая задача совершенствования информационной структуры контейнерных перевозок на основе транспортной систематики, единообразного инвентаризационного кодирования и применения онтологий для интеграции разнородных данных. Получены следующие результаты работы

1. Выполнен системный анализ использования действующих информационных технологий на железнодорожном транспорте, современных подходов к моделированию систем, основанных на знаниях; предложено использовать онтологии как средство универсализации представления в базах знаний иерархических систем и их семантической интеграции для условий железнодорожного транспорта.

2. Разработаны систематика контейнерного парка и структура инвентаризационного кодирования контейнеров, дополняющие существующие системы идентификации железнодорожного подвижного состава с ходовой частью.

3. Методика систематики применена для углубления процесса формализации извлечения знаний. Разработана обобщенная плоскостная ОВУ на основе общих научных категорий и их атрибутов. Обоснована необходимость построения трёхмерной систематики ОВУ. Разработаны схемы совокупностей атрибутов понижающихся рангов, которые упорядочивают, делают наглядными и расширяют возможности конструирования практических онтологий.

4. Построена онтология работы контейнерного терминала на примере

терминала Агентства на станции Батарейная - филиала ОАО «Трансконтейнер» на ВСЖД. Показана возможность реализации онтологии задачи нижнего уровня и её связи с онтологиями предметной области и верхнего уровня. Проведено исследование информационного обеспечения подсистемы контейнерных перевозок, на основе онтологии разработаны инфологическая и даталогическая модели задачи «Управление контейнерными перевозками». Данные модели реализованы при создании прототипа базы данных. Представлена концепция семантического объединения данных на основе онтологий.

Список опубликованных работ по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Дудакова A.B., Корольков Б.П. Об использовании онтологий в информационных системах железнодорожного транспорта II Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009. -№ 1 (21). -С. 117-121.

2. Корольков Б.П., Дудакова A.B. Контейнеры в структурах систематики и кодирования транспорта // Транспорт: Наука, техника, управление. - 2009. - № 4. - С. 2-7.

3. Корольков Б.П., Дудакова A.B. Систематика онтологий и структуризация категорий знаний // Мир транспорта. - 2010. - № 2. - С. 2025.

в других изданиях:

4. Дудакова A.B. Роль систематики в информационных системах железнодорожного транспорта, основанных на онтологиях // Тр. XII Байкальской Всерос. конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении» . - Иркутск: Изд-во ИСЭМ СО РАН, 2007. - Ч.З.- С . 106-112.

5. Дудакова A.B. К представлению знаний для управления политранспортными системами на основе онтологии и систематики // Матер. V Всеросс. научно-техн. конф. «Политранспортные системы». -

Красноярск: изд-во СФУ, 2007. - 4.2. - С. 319-322.

6. Корольков Б.П., Дудакова A.B. К объединению возможностей онтологии и систематики при построении информационных систем // Тр. XI междунар. научно-практ. конф. «Системный анализ в проектировании и управлении». - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2007. - Ч.З. - С. 17-19.

7. Дудакова A.B. Онтологии как средство универсализации представления в базах знаний иерархических систем и их семантическая интеграция // Тр. XII Международной научн.-практ. конф. «Системный анализ в проектировании и управлении». - СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2008. - 4.2. - С. 139-143.

8. Дудакова A.B. Построение онтологии контейнерной транспортной системы // Тр. ХП1 Байкальской Всерос. конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении». - Иркутск: изд-во ИСЭМ СО РАН, 2008. - 4.1. - С. 315-321.

9. Корольков Б.П., Дудакова A.B. Иерархическая структура онтологии и место в ней систематик предметных областей // Тр. XIII Международной научн.-практ. конф. «Системный анализ в проектировании и управлении». -СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2009. - С. 47-49.

10. Дудакова A.B., Корольков Б.П. Систематика онтологий -перспективный этап при построении искусственного интеллекта // Матер, межвуз. науч.-практич. конф. «Транспортная инфраструктура Сибирского региона».- Иркутск: изд-во ИрГУПС, 2009. - Т.1. - С. 321- 330.

11. Корольков Б.П., Дудакова A.B. Методический подход к построению онтологий на основе систематики // Тр. XV Байкальской Всерос. конф. «Информационные и математические технологии в науке и управлении». -Иркутск: изд-во ИСЭМ СО РАН, 2010. - 4.II. - С. 178-184.

12. Корольков Б.П., Дудакова A.B. О построении рамочной систематики онтологии верхнего уровня // Тр. XIV Международной научн.-практ. конф. «Системный анализ в проектировании и управлении». -СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2010. - С. 7-9.

Подписано в печать: 26.04.2011 г. Формат 60 х 90 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 1,45 Тираж 50 экз. Заказ № 478

Отпечатано: Федеральное государственное унитарное геологическое предприятие «Урангеологоразведка». Юридический адрес: 115148, г. Москва, ул. Б. Ордынка, дом 49, стр.3. ИНН 7706042118 Справки и информация: БФ «Сосновгеология» «Глазковская типография». Адрес: 664039, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53; тел.: 38-78-40, тел./факс: 598-498

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА И ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОСТРАНСТВА

1.1. Системный анализ использования действующих информационных технологий на железнодорожном транспорте IX

1. 2. О разработке и проектировании информационных систем, основанных на знаниях

1.3. Состояние разработок систематики и кодирования на транспорте

1. 4. Выводы по первой главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СИСТЕМАТИКИ

И КОДИРОВАНИЯ КОНТЕЙНЕРОВ

2.1. Глобальная контейнеризация и место контейнеров в структуре систематики подвижного состава

2.2. Разработка систематики контейнеров

2. 3. Применение систематики для кодирования контейнеров

2. 4. Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ ОНТОЛОГИИ НА ОСНОВЕ СИСТЕМАТИКИ

3. 1. Плоскостная систематика онтологий верхнего уровня

3.2. Структуризация категорий знаний, их атрибуты, интерпретация свойств

3.3. К проблеме создания онтологий верхнего уровня

3. 4. Представление онтологии предметной области (транспорта)

3. 5. Разработка онтологической модели задачи работы контейнерного терминала)

3. 6. Выводы по третьей главе

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННЫХ КАРТ

ФУНКЦИОНОИРОВАНИЯ КОНТЕЙНЕРНОГО ТЕРМИНАЛА

АГЕНТСТВА НА СТАНЦИИ БАТАРЕЙНАЯ - ФИЛИАЛА ОАО

ТРАНСКОНТЕЙНЕР" НА ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЙ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГЕ

4. 1. Роль онтологии при интеграции информационных систем

4. 2. Этапы разработки модели базы данных

4. 3. Контейнерная система как уровень приложений в задаче онтологического моделирования на основе систематики

4. 3. 1. Контейнерный терминал как объект инфологического моделирования

4. 3. 2. Разработка диаграмм потоков данных

4. 3. 3. Создание даталогической и физической моделей базы данных

4.3.4. Семантическое объединение данных

4. 4. Выводы по четвёртой главе

Актуальность работы. В настоящее время ставится задача усиления железнодорожной составляющей в формировании транспортной политики государства, а также конкурентноспособной интеграции российских железных дорог в европейское транспортно-экономическое пространство. В решении указанных задач важную роль играет информационная поддержка. Однако в области информационного обеспечения недостаточно развиты стандарты по взаимодействию национальных баз данных между собой и с базами сторонних операторов, пользователей услуг железнодорожного транспорта, с органами и ведомствами, имеющими отношение к процессу перевозки, что приводит к значительным затруднениям в обработке информации, неэффективному использованию вычислительных ресурсов. В системе контейнерных перевозок с её глобальной инфраструктурой задействовано большое количество разрозненных субъектов и видов транспорта, поэтому главной задачей можно назвать их информационное объединение.

В области системного анализа — основного инструмента диссертации, следует отметить классические работы Берталанфи JI. [3], Месаровича М.[72], Оптнера С. [79], Бусленко Н.П. [8], Волковой В.Н.[10], Перегудова Ф.И. [84], Тарасенко Ф.П., Спицнадель В.Н. [92] и др. В решении задач управления железнодорожными перевозками и их информационного обеспечения принимали участие: Петров А.П., Буянов В.А., Угрюмов Г.А., Тишкин Е.М., Тулупов Л.П., Иловайский Н.Д., Писарев А.П., Рыбаков О.М., Гапанович В.А., Осьминин А.Т., Мишарин A.C. и др.

На современном этапе интеграционные задачи решаются на основе онтологического подхода. Большой вклад в развитие онтологий внесли такие зарубежные учёные как Gruber Т., Guarino N., Lenat D. В., Guha R. V., Noy N., McGuinness. D., Smith B., Calvanese D. Следует отметить работы российских учёных: Гавриловой Т. А., Хорошевского В. Ф., Когаловского М. Р., Тузовского

В. Ф., Ямпольского В. 3., Серебрякова В. А., Калиниченко Л. А., Массель Л. В.,

Макагоновой H. H., Скрипкина C. K. и др. Онтологии нашли применение в области больших систем энергетики (Ворожцова Т.Н.), медицинской диагностики (Клещев A.C., Москаленко Ф.М.) и др.

Представляется перспективным применение онтологического подхода в решении задач управления контейнерными перевозками и обеспечения более высокого уровня взаимодействия между ключевыми процессами.

Объект исследования в диссертации — железнодорожная система управления контейнерными перевозками и её информационное обеспечение.

Предметом исследования является онтологическое моделирование и кодирование подвижного состава на основе систематики.

Цель диссертации: повышение эффективности управления контейнерными перевозками за счет совершенствования структуры системы информационного обеспечения на основе концепции систематики и онтологического подхода. '

Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач:

- выполнить анализ использования действующих информационных систем

ИС) на железнодорожном транспорте, подходов к интеграции информационных ресурсов; исследовать возможность использования онтологий для построения модели данных и представления знаний на железнодорожном транспорте;

- разработать метод создания онтологий на основе привлечения возможностей систематики; разработать систематику и кодирование контейнеров с целью обеспечения полноты охвата транспортных модулей;

- разработать обобщённую онтологию верхнего уровня, онтологическую модель предметной области, схему интеграции разнородных данных прикладной задачи на примере контейнерного терминала.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы системного анализа, онтологический подход, синергетические методы представления структуры сложных систем, теория графов, теория систем баз данных, информационное моделирование, методы систематики и кодирования.

Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие положения:

1. Впервые предложено использовать возможности систематики предельно полно представлять некоторую область знания для создания научно обоснованной методики построения онтологий разных уровней.

2. Обобщённая онтология верхнего уровня (ОВУ), содержащая наиболее общие научные категории, упорядоченные по рангам, с указанием выхода на практические ОВУ и на онтологии предметных областей.

3. Систематика и структура инвентаризационного кодирования контейнеров железнодорожного транспорта, позволяющая единообразно идентифицировать контейнеры и прочие транспортные средства.

Направление работы определено Федеральной целевой программой «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы»:

1.2. «Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела по информационным технологиям»;

5.1. «Развитие информационной инфраструктуры хранения и передачи новых знаний», утверждённой постановлением Правительства Российской Федерации от 17 октября 2006 г. (№ 613).

Личный вклад. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором. Совместно с д-ром техн. наук, профессором Б.П. Корольковым выполнена первоначальная постановка задачи объединения возможностей систематики и онтологического подхода, ориентированных на поддержку взаимодействия между транспортными информационными системами.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на V Всероссийской научно-технической конференции

Политранспортные системы» (2007 г., Красноярск, СФУ); Х1-Х1У

Международной научно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении» (2007-2010 г., Санкт-Петербург, СПбГПУ); XII-XV Байкальской всероссийской конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (2007-2010 г., ИСЭМ СО РАН); Межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (2009 г., Иркутск, ИрГУПС), на семинарах кафедры «Управление эксплуатационной работой» ГОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» в 2007-2010 годах.

Достоверность разработок подтверждается сопоставлением предложенных подходов к систематике и кодированию подвижного состава, построению иерархии, онтологий ИС с существующими практическими схемами.

Практическая значимость. Предложенная методика разработки и построения онтологий всех уровней с использованием совокупности систематик предметных областей, общенаучных категорий способствует единообразному представлению знаний в информационных системах, обеспечивает прикладную сторону разработки моделей ИС. Материалы работы используются в учебном процессе института Информационных технологий ИрГУПС. Построена онтологическая модель функционирования контейнерного терминала Агентства на ст. Батарейная - филиала ОАО "ТрансКонтейнер" на Восточно-Сибирской железной дороге. На результаты диссертационного исследования получены положительные отзывы службы коммерческой работы в сфере грузовых перевозок ВСЖД - филиала ОАО «РЖД» и Агентства на ст. Батарейная - филиала ОАО "ТрансКонтейнер" на Восточно-Сибирской железной дороге.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования научных положений диссертационных работ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 128 наименований и четырёх приложений. Общий объём работы составляет 150 страниц, в том числе 36 рисунков, 6 таблиц.

4. 4. Выводы по четвёртой главе

1. Для объединения основных транспортных подсистем и обеспечения более высокого уровня взаимодействия между ключевыми процессами в работе предлагается использовать онтологии, обеспечивающие интероперабельность.

2. Структура идентификационного кодирования транспортных средств, основанная на разработанной систематике подвижного состава, использована при организации логической модели данных. Она позволяет хранить сведения о транспортных средствах в единой форме.

3. Проведено информационное обследование предметной области контейнерных перевозок, с использованием онтологической модели разработаны инфологическая, даталогическая модели задачи «Отправление контейнера». Структурная модель процесса отправления контейнера выполнена с помощью БРЭ-диаграмм с использованием СА8Е-средств ВР-'Мп. Данные модели реализованы для разработки прототипа базы данных контейнерного терминала.

4. Приведена архитектура системы семантического объединения данных на основе онтологий, продемонстрирована схема получения ответа на запрос в системе семантического объединения разнородных данных с использованием онтологий.

123

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации решена важная научно-техническая задача совершенствования информационной структуры контейнерных перевозок на основе транспортной систематики, единообразного инвентаризационного кодирования и применения онтологий для интеграции разнородных данных.

1. Выполнен системный анализ проблемы использования действующих информационных технологий на железнодорожном транспорте, современных подходов к моделированию систем, основанных на знаниях; предложено использовать онтологии как средство универсализации представления в базах знаний иерархических систем и их семантической интеграции для условий железнодорожного трансцорта.

2. Разработаны систематика контейнерного парка и структура инвентаризационного кодирования контейнеров, дополняющие существующие системы идентификации железнодорожного подвижного состава с ходовой частью.

3. Методика систематики применена для продвижения процесса формализации извлечения знаний. Разработана обобщенная плоскостная ОВУ на основе наиболее общих научных категорий и их атрибутов: Обоснована необходимость построения более ёмкой трёхмерной систематики ОВУ. Разработаны объёмные (трёхосевые) схемы совокупностей атрибутов понижающихся рангов, которые упорядочивают, делают наглядными и расширяют возможности конструирования практических онтологий.

4. Построена онтология работы контейнерного терминала на примере терминала Агентства на станции Батарейная — филиала ОАО «Трансконтейнер» на ВСЖД. Показана возможность реализации онтологии задачи нижнего уровня и её связи с онтологиями предметной области и верхнего уровня. Проведено исследование информационного обеспечения подсистемы контейнерных перевозок, на основе онтологии разработаны инфологическая, даталогическая модели задачи «Отправление контейнера». Данные модели реализованы при создании прототипа базы данных. Представлена концепция семантического объединения данных на основе онтологий.

125

1. Бабак В.Ф., Рыженко И.Н. Совершенствование методологии проектированияинформационных систем. URL: http://www.citforam.ru/cfm/articles/mpis. shtml, (датаобращения: 15.01.08).

2. Бельницкий Д. С. Характеристика рынка транспортных компаний в системе ОАО «РЖД» // Транспорт: наука, техника, управление. №1.-2008. — С. 15-18.

3. Берталанфи JT. Общая теория систем Критический обзор / В кн.: Исследования по общей теории систем. - М.: Прогресс, 1969. - С. 23-82.

4. Биряльцев Е. В., Гусенков А. М., Косинов Я. Г. Представление структуры реляционных баз данных в формализме онтологий // Материалы конф. TEL-06 «Онтологии и лингвистические базы данных».

5. Большая советская энциклопедия. URL: http:// bse.sci-lib.com. (датаобращения:01.12.2009).

6. Буданов В.Г. О методологии синергетики. Нелинейный мир. М.: Радиотехника, № 1 2, т.4. 2006. - С.70-87.

7. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1968. 356 с.

8. Виттих В. А., Волхонцев Д. В., Гинзбург А. Н. и др. Распределенные онтологии и их применение в решении задач интеграции данных URL: www.kg.ru (дата обращения:2210.2009).

9. Волкова В. Н., Денисов А. А. Основы теории систем и системного анализа: уч. для сгуденгов вузов. — СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2004. — 520 с.

10. Ворожцова Т.П., Скрипкин С.К. Онтологический подход к моделированию программного комплекса. Вестник ИрГТУ. — 2006. — №2 (26), С.72-78.

11. Ворожцова Т.Н., Макагонова H.H., Скрипкин С.К. Применение онтологий для описания энергетики. « Информационные и математические технологии в науке и управлении» // Тр. XII Байкальской Всерос. конф. Ч. III. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2007. - 256 с.

12. Ворожцова Т. Н. Построение программных комплексов для исследованийтеплоэнергетических систем с использованием онтологий/ Автореф. дисс. . канд. техн. наук.- Иркутск, 2009. 26 с. •

13. Воронин А., Кабалинский Д. По вагонам! // Эксперт. 2004. №50. (21.12.2004).

14. Воронин Ю.А. Теория классифицирования и её приложения. Новосибирск.: Наука, 1985.-231 с.

15. Гаврилова Т. А., Черванская К. Р. Извлечение и структурирование знаний дляэкспертных систем. М.: Радио и связь, 1992. —200 с.

16. Гаврилова Т.А., Хорошевский В.Ф. Базы знаний интеллектуальных систем: Учебник.

17. СПб.: Питер, 2001.-384 с. ,

18. Гаврилова Т. А., Управление знаниями: ЧТО ДЕЛАТЬ? // Сб. докл. 7-ой конф.

19. Реинжиниринг бизнес-процессов. Системы управления знаниями». М.: МЭСИ, 2004. -С. 61-67. "

20. Гаврилова Т. А., Веселова E. Е. Об одном подходе к созданию атрибутивных онтологий и таксономий. «Системный анализ в проектировании и управлении» Тр. X междун. науч.-практ. конф. Ч. 2. СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2006. - С. 283-285.

21. Гаврилова Т. А. Онтологический инжиниринг URL: http://www.big.spb.ru/publications /bigspb/km/ontologengeneering.shtml (дата обращения: 15.05.2008).

22. Гапанович В.А. Белая книга ОАО «РЖД». Стратегические направления научнотехнического развития компании // Железнодорожный транспорт. №8. — 2007. - С. 2-5.

23. Годовой отчет 2006 ОАО «Центр по перевозке грузов в контейнерах «Трансконтейнер». URL: http://www.trcont.ru/ (дага обращения: 22.02.2008).

24. ГОСТ 21390-83. «Контейнерная транспортная система. Термины и определения»

25. URL: http://libt.ru/gost/download/gost-21390-83.html (дата обращения: 02.02.2010).

26. ГОСТ Р 52524-2005 (ИСО 6346:1995) «Контейнеры грузовые. Кодирование, идентификация и маркировка».

27. Дарманский С. И., Соломянный С. В., Шитикова А. М. Аспекты систематики влогистике // Транспортная инфраструктура Сибирского региона: мат-лы межвуз. науннс— практ. конф. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009. - 880 с.

28. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных. — 8-е изд. М.: Вильямс, 2005. - 1328 с.

29. Добров Б. В., Иванов В. В. и др. Онтологии и тезаурусы: модели, инструмеыгтс^&.х