Інструментальні програмні засоби інтеграції математичних моделей у системи підтримки прийняття рішень з екологічної безпеки

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕМАТИЧНИХ МАШИН І СИСТЕМ

ГОФМАН Дмитро Самоілович

УДК 681. 3. 06

ІНСТРУМЕНТАЛЬНІ ПРОГРАМНІ ЗАСОБИ ІНТЕГРАЦІЇ МАТЕМАТИЧНИХ МОДЕЛЕЙ У СИСТЕМИ ПІДТРИМКИ ПРИЙНЯТТЯ РІШЕНЬ З ЕКОЛОГІЧНОЇ БЕЗПЕКИ

01.05.03 - математичне і програмне забезпечення обчислювальних машин і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ - 1999

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Інституті проблем математичних машин і систем Національної академії наук України.

Науковий керівник кандидат фізико-математичних наук, с. н. с. Железняк Марк Йосипович,

Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, зав. відділом математичного моделювання навколишнього середовища.

Офіційні опоненти доктор технічних наук, чл. -кор. НАН України Мар'янович Тадеуш Павлович, Інститут кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України, заступник директора кандидат фізико-математичних наук Калінін Володимир Михайлович, Український інститут дослідження навколишнього середовища та природних ресурсів при Раді національної безпеки і оборони України, начальник відділу інформаційних технологій та геоінформаційних систем.

Захист дисертації відбудеться 23 червня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26. 204. 01 в Інституті проблем математичних машин і систем Національної академії наук України за адресою: 252187, м. Київ-207, пр. Акад. Глушкова 42.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічному архіві Інституту проблем математичних машин і систем НАН України за адресою: 252187, м. Київ-207, пр. Акад. Глушкова 42.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Системи підтримки прийняття рішень (СППР) з екологічної безпеки знаходять широке застосування в організаціях контролю та охорони навколишнього середовища, у промисловості та енергетиці. Досвід ліквідації наслідків Чорнобильської аварії допоміг особам, що приймають рішення, усвідомити глибоку необхідність використання СППР і встановив основні орієнтири для розробників таких систем. На Україні СППР, що включають блоки моделювання процесів у навколишньому середовищі розробляються в Інституті кібернетики ім. В. М. Глушкова НАН України (В. Сергієнко, В. Скопецький, В. Дейнека та інші), в Інституті прикладного системного аналізу НАН України і Мінвузу (М. Згуровський та інші), в Українському інституті дослідження навколишнього середовища та природних ресурсів при РНБО України та Інституті прикладних систем і технологій АТН України (С. Довгий, В. Калінін, О. Копійка та інші), в Інституті космічних досліджень НАН і НКА України (А. Колодяжний та інші), в Інституті проблем математичних машин і систем НАН України (М. Железняк та інші), в ряді відомчих організацій, що проводять дослідження з наукової підтримки ліквідації наслідків Чорнобильської аварії - в Українському науковому центрі радіаційної медицини АМН і НАН України (І. Ліхтарьов та інші), в Інституті сільгоспрадіології ААН України (В. Кашпаров та інші), а також в інших організаціях. Одним із найбільш широкомасштабних міжнародних проектів з розробки систем підтримки прийняття рішень при радіаційних аваріях є проект РОДОС, який розробляється з початку 90-х років за замовленням комісії Європейських Співтовариств (КЄС). СППР РОДОС включає моделі післяаварійної міграції радіонуклідів у всіх компонентах навколишнього середовища і розрахунки відповідних дозових впливів на населення.

Дослідження у галузі розробки СППР з питань екологічної безпеки (СППРЕБ), що є відносно новим напрямком інформатики, базуються на дослідженнях в багатьох областях, серед яких галузі створення пакетів прикладних програм і методологій інтеграції прикладних програм (Ф. Андон, Ю. Капітонова, Т. Мар'янович, В. Михайлюк, І. Парасюк, І. Сергієнко, В. Скопецький, В. Редько та інші), інтеграції прикладних програм у рамках операційної системи Windows (К. Broсksсhmidt), створення проблемно-орієнтованих мов і систем (І. Вельбицький, В. Рвачев та А. Шевченко, Т. Muetzelfeld), розробки об'єктно-орієнтованих мов, технологій і баз даних. Розробка методологій інтеграції моделей, ГІС і баз даних у СППР екологічної безпеки розглянута в роботах I. Haagsma, D. Lam та D. Swaine, L. Bian, K. Fedra, S. Корр, G. Bentz та інших.

Визначальною рисою сучасних СППРЕБ є використання багатофункціонального графічного інтерфейсу, великої кількості моделюючих програм високої складності, географічної інформаційної системи, баз даних. Складність елементів СППРЕБ є такою, що окремі моделюючі або інтерфейсні блоки можуть, у свою чергу, бути програмними комплексами. На практиці це спричиняє те, що окремі моделі, які входять до складу СППРЕБ, мають різних розробників і можуть бути створені з використанням різних стандартів і програмних засобів. До СППРЕБ ставляться серйозні вимоги як надійності системи в цілому, так і її складових частин, що приводить до необхідності незалежного тестування моделей та системи в цілому. До СППРЕБ можуть ставитися вимоги роботи в “реальному часі”. Програмні засоби, що підтримують моніторинг параметрів стану навколишнього середовища, часто є складовою частиною СППРЕБ.

Всі перераховані чинники обумовлюють актуальність розробки інструментальних засобів інтеграції, які повинні спрощувати побудову СППРЕБ із набору моделей і надавати розробникам можливість змінювати і додавати моделюючі та інтерфейсні елементи системи без істотних змін у системі в цілому.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках програми наукових робіт НАН України і Мінчорнобиля України з ліквідації наслідків Чорнобильської аварії, блок - “Прогнозування радіаційного забруднення поверхневих вод внаслідок Чорнобільської аварії”, в рамках теми “Розробка Інформаційно-моделюючої підсистеми “Поверхневі води” Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, проекту 4-ї Рамочної програми Комісії Європейський Співтовариств (КЄС) по створенню комп'ютеризованої системи для підтримки прийняття рішень по визначенню оптимальних стратегій відновлення водних екосистем, забруднених радіонуклідами MOIRA, проектів КЄС по створенню он-лайн системи підтримки прийняття рішень по реагуванню на радіаційні аварії РОДОС (JCP-1, INCO-COPERNICUS), Проекту розробки системи моніторингу АЕС Флісінгер, Нідерланди.

Мета і задачі дослідження. Основною метою дисертаційної роботи є теоретичне обгрунтування, розробка та апробація при практичному застосуванні інструментальних програмних засобів для ефективного створення систем підтримки прийняття рішень з екологічної безпеки, які базуються на математичних моделях.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- провести аналіз тенденцій розвитку сучасних СППРЕБ, методів інтеграції прикладних програм і виділити основні особливості типових програмних реалізацій математичних моделей СППРЕБ;

- на базі цього аналізу розробити спеціалізовану мову програмування для формалізації різних аспектів процесу інтеграції моделей у СППРЕБ;

- розробити і програмно реалізувати інструментальну програмну систему, що дозволила б швидко будувати СППРЕБ на основі незалежно розроблених математичних моделей;

- розробити методи та програмні засоби налагодження інструментальної програмної системи у відповідності до вимог програмного середовища та СППРЕБ та реалізувати стандартний набір інтерфейсних елементів СППРЕБ, засобів взаємодії з ГІС та системою моніторингу, що працюють у різних операційних середовищах;

- практично застосувати розроблені інструментальні програмні засоби та методики для створення СППР з питань екологічної безпеки, що працює у сучасних операційних середовищах.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені методики та інструментальні програмні засоби дозволяють значно скоротити час, необхідний для розробки, тестування і внесення змін у СППРЕБ. Архітектура інструментальних програмних засобів, розроблена методика інтеграції і нові технічні рішення, отримані при програмній реалізації, можуть бути використані в широкому колі програмних розробок СППР різної направленості. Запропоновані інструментальні програмні засоби і методи розробки СППРЕБ були застосовані при розробці загальноєвропейських системах підтримки прийняття рішень з радіаційної безпеки RODOS, COSYMA, MOIRA, та у системах створених на Україні (підсистема “Поверхневі води” МНС України), в Нідерландах (система метеорологічного моніторингу COPS для АЕС Флісінгер), в Швеції (програмний комплекс PRISM), в Словаччині (система підтримки прийняття рішень при радіоактивних викидах з АЕС Богуниця).

Наукова новизна одержаніх результатів. Автором вперше:

- на основі аналізу тенденцій розвитку сучасних СППР та досліджень в областях інтеграції прикладних програм обгрунтована необхідність використання у процесі розробки та функціонування СППРЕБ об'єктно-орієнтованої мови, що підтримує сталі об'єкти;

- розроблено об'єктно-орієнтовану мову LIANA, яка дозволяє формалізувати різні аспекти розробки та функціонування СППРЕБ. Програмно реалізовано інтерпретатор мови LIANA;

- розроблено методику інтеграції моделей у СППРЕБ, що базується на описі ієрархії даних у СППР за допомогою класів мови програмування LIANA. При цьому моделі є засобами побудови наборів даних, що відповідають сталим об'єктам. Означена методика дозволяє інтегрувати моделі без внесення змін у їх програмну реалізацію та дозволяє розробникам моделей приймати участь у формуванні програмного оточення СППРЕБ шляхом опису властивостей наборів даних;

- проведено теоретичне обгрунтування структури та функціонування програмних інструментальних засобів побудови СППРЕБ. Розроблені і програмно реалізовані інструментальна програмна Система інтеграції моделей LIANA та засоби її настроювання. Визначені та програмно реалізовані засоби інтерфейсу користувача СППРЕБ.

Особистий внесок здобувача. В опублікованих сумісних працях здобувачем особисто виконані теоретичне обгрунтування та розробка об'єктно-орієнтованої мови LIANA, Системи інтеграції моделей LIANA та методики їх застосовування; практичне впровадження розроблених засобів та методики у 8 СППРЕБ.

Апробація роботи та публікація результатів дисертації. Наукові та практичні результати роботи обговорювалися на конференціях і семінарах “Системний аналіз і методи математичного моделювання в екології” (Київ, ІПММС НАНУ, 1991-1998), на школі-семінарі “Разработка комплексов программ математической физики” (Новосибірськ, 1993), на семінарах Національного інституту радіаційного захисту (Великобританія, Чілтон, 1993), на 10-ій конференції “Обчислювальні методи у водних ресурсах” (Хейдельберг, 1993), семінарах учасників проекту КЄС РОДОС (Карлсрує 1993-1995, Будапешт 1995,), на конференції “Застосування ГІС у гідрології і вивченні водних ресурсів” (Відень, 1995), на семінарах учасників проекту COPS по створенню системи метеорологічного моніторингу АЕС Флісінгер (Арнем, Флісінгер Нідерланди 1996), на Першій міжнародній конференції по радіологічних наслідках Чорнобильської аварії (Мінськ, 1996), на Четвертій міжнародній конференції по системах підтримки прийняття рішень по поза-об'єктному аварійному реагуванню (Аронсборг, Швеція, 1996), на семінарах інституту “Студсвік ЭкоСейф” (Студсвік, Швеція 1996-1998), на семінарах учасників проекту КЄС MOIRA, (Уппсала, Швеція 1996, Рим, Італія 1997, Арнем, Нідерланди 1997, Осло, Норвегія 1998, Мадрид, Іспанія 1998), на 29-й конференції Європейської асоціації радіаційної біології - European Radiation Research'98 (Капрі, Італія 1998).

По темі дисертації опубліковано 8 статей.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, викладена на 143 129.. … сторінках, включає 34. … малюнкаів, 5… таблиць та список використаних джерел з 138… найменувань.

інтеграція прикладна програма математична модель

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність дослідження, сформульовані мета і завдання, розкриті наукова новизна отриманих результатів та їх практична значимість.

У першому розділі проведено аналіз тенденцій розвитку й особливостей СППРЕБ і методів їх створення на прикладах вітчизняних і закордонних систем. Класифіковані користувачі, задачі та основні компоненти СППРЕБ.

Головною метою СППРЕБ є забезпечення користувачів (експертів у предметній області та осіб, що приймають рішення) прогностичною інформацією про стан навколишнього середовища, екосистем і здоров'я населення у випадку екстремальних природних і техногенних ситуацій. Необхідною рисою таких СППР є надання користувачу можливостей проаналізувати вплив альтернативних сценаріїв післяаварійних контрзаходів на зниження негативних наслідків екстремальних ситуацій для екосистем і населення з метою вибору оптимальних за витратами і результативністю контрзаходів. Відповідно, сучасна СППРЕБ - це програмний комплекс, що дозволяє забезпечити підтримку прийняття рішень по зниженню наслідків можливих аварій, оптимальному захисту населення в умовах обмежених ресурсів з урахуванням значної кількості взаємопов'язаних екологічних, медичних, економічних, технічних та соціальних факторів на підставі моделюючих прогностичних блоків і інформації про поточний стан технічних об'єктів і навколишнього середовища. Системи, спрямовані на підтримку контрзаходів безпосередньо в перші дні після техногенної аварії повинні включати програмні засоби отримання інформації програмним моделюючим комплексом від системи радіаційного, хімічного і гідрометеорологічного моніторингу території (“он-лайн” режим реального часу). Географічна інформаційна система (ГІС) СППРЕБ повинна включати картографічну інформацію про фізико-географічні, господарські, демографічні і екологічні характеристики території, для якої буде впроваджена система. Висока складність окремих компонент СППРЕБ, необхідність ретельного тестування як системи в цілому, так і її окремих компонент, вимоги “гнучкості” СППРЕБ приводять до того, що компоненти СППРЕБ, програмно реалізуються у вигляді окремих модулів, а СППР будується шляхом інтеграції цих модулів. У розділі проведено аналіз основних властивостей типових програмних реалізацій математичних моделей, баз даних і ГІС, що використовуються в СППРЕБ.

Програмні реалізації математичних моделей, що використовуються у СППРЕБ, мають такі характерні особливості, важливі з точки зору інтеграції:

- Моделі часто реалізовано різними розробниками у вигляді готових до використання програмних продуктів.

- Найбільш поширеними програмними реалізаціями моделей є: виконувана програма, реалізація моделі у середовищі пакетів “динамічного моделювання” або у вигляді програмного коду на мові FORTRAN.

- У межах одної СППРЕБ моделі, як правило, мають однакову моду виконання (наприклад є програмами) та тип вхідних і вихідних даних (наприклад, передають і одержують інформацію у вигляді текстових файлів). Однак, формат вхідних та вихідних даних, як правило, відрізняється у різних моделей, і, якщо моделі реалізуються незалежно, стандартизація форматів практично неможлива.

- Моделі, як правило, не використовують сучасні засоби відображення інформації та обміну даними.

- Завдяки незалежній розробці моделей, результати моделювання можуть безпосередньо або після простих перетворень бути використані як інформація, що необхідна експерту на наступних етапах прийняття рішення.

У розділі розглянуто дослідження в областях, що заклали основи методологій інтеграції моделей, ГІС і баз даних у СППРЕБ. Проведено порівняння переваг та недоліків різних методик інтеграції як з точки зору часу і складності розробки системи, так і простоти користування нею. Докладно розглянуті структура, функціональне наповнення і методи інтеграції моделей СППР RODOS.

У другому розділі проведено обгрунтування об'єктно-орієнтованого підходу до побудови СППРЕБ, запропоновано мову програмування LIANA та подано методику інтеграції математичних моделей у системи підтримки прийняття рішень з питань екологічної безпеки на базі опису структури та зв'язків наборів даних, що використовуються у СППР і є вхідними та вихідними наборами даних моделей.

Для інтеграції моделей, що мають вищенаведені властивості, запропоновано використовувати об'єктно-орієнтований підхід при побудові СППР. Відповідно до аналізу, що проведений у розділі 1, ціллю застосування СППРЕБ є підготовка наборів даних для кожного з етапів процесу прийняття рішення та відображення їх засобами інтерфейсу користувача. Зауважимо, що набори даних у СППРЕБ знаходяться у ієрархічній залежності один від одного і можуть бути представлені у вигляді дерева, коренем якого є рішення у формі звіту, що потребує керівник, а листками є вхідні дані. “Рівень” користувача СППРЕБ (експерт, керівник) задається тим, які набори даних він потребує від системи. Розглянуті у розділі 1 властивості моделей дозволяють поставити у відповідність кожному вхідному або вихідному набору даних моделі (наприклад, кожному текстовому файлу) деякий “внутрішній” набір даних.

Типи та ієрархічна залежність усіх “внутрішніх” наборів даних можуть бути зручно задані за допомогою класів об'єктно-орієнтовної мови, що підтримує спадкування об'єктів та можливість використовувати об'єкти як складові інших об'єктів. Нехай кожний ”внутрішній” набір даних відповідає деякому об'єкту (або декільком об'єктам). Автоматична побудова та збереження наборів даних буде забезпечено при умові, що об'єктно-орієнтована мова буде підтримувати властивість сталості об'єктів. Однакова “фізична” природа вхідних та вихідних наборів даних усіх моделей дає змогу описувати ланцюги “вихідний набір даних моделі” об'єкт та об'єкт “вихідний набір даних моделі” у рамках операторів вводу-виводу. Мова повинна також підтримувати можливість завдання як мінімум трьох “системних команд” - “виконати модель та прочитати її вихідний набір даних”, “записати внутрішній набір даних як вхідний набір даних моделі”, “сповістити користувача про необхідність створення внутрішнього набору даних за допомогою засобів інтерфейсу користувача”.

При використанні вказаної методики, створення СППР “розподіляється” між розробниками моделей та програмного оточення СППР. Методика не потребує внесення змін у програмну реалізацію моделей. Описавши типи об'єктів, що відповідають вхідним та вихідним наборам даних, та їх уявлення у інтерфейсі користувача, розробники моделей, таким чином, опишуть усе “дерево прийняття рішень”. Розробник програмного оточення СППР може сконцентрувати свою увагу на питаннях створення інтерфейсу користувача та адаптації СППР до операційного середовища. Таким чином, можливе прискорення процесу створення СППР.

У розділі наведено приклад класів мови програмування LIANA, що застосовуються у СППР MOIRA для реалізації ланцюжка “радіоактивні випади - концентрація радіонуклідів в озері - дозові навантаження на населення. ”

У третьому розділі описано структуру та функції Системи Інтеграції Моделей LIANA. Розглянуто теоретичні та практичні аспекти побудови СППР екологічної безпеки з використанням системи LIANA.

Систему інтеграції LIANA призначено для швидкої та зручної побудови СППРЕБ на базі набору незалежно розроблених моделей. СППРЕБ буде відповідати сучасним вимогам - мати розвинутий інтерфейс користувача, використовувати ГІС, забезпечувати зручне зберігання необхідних даних та попередніх результатів роботи з системою, бути гнучкою та переносною. Система LIANA містить такі компоненти:

LIANA={InL, SeL, LB, SIK, ExK, DB, I},

де

* InL - інтерпретатор мови програмування LIANA.

* SeL - сервісні засоби написання та налагодження LIANA-програм.

* LB - засоби автоматичного побудування LIANA програми під час роботи СППР.

* SIK - системо-незалежне ядро - центральна частина СППР, що будується.

* ExK - розширення ядра для настроювання на роботу у різних операційних середовищах. ExK = { ExOS, ExM, ExD, ExT, ExGIS, ExMon}. ExK складається з засобів адаптації до різних операційних систем (ExOS),), типів

Проблемна орієнтація Мова орієнтована на підтримку інтеграції моделей у СППР екологічної безпеки; підготовку вхідних та обробку вихідних даних для моделей; відображення ієрархічної структури даних у CППР; опис відображення наборів даних засобами інтерфейсу користувача.

Спеціальні можливості Можливість об'явлення сталих об'єктів; використання вкладених блоків, описів класів та функцій; масиви зі зміною границею; відсутність вказівників; можливість рекурсивного виклику функцій.

Можливості розширення Апарат класів та функцій дозволяє легко розширювати мову новими абстракціями.

Зручність у вивченні та користуванні для розробників моделей Мова дозволяє сформулювати вимоги, які ставить розроблювач моделі до програмного оточення СППР. Мова відноситься до добре відомих ALGOLо-подібних мов програмування. Враховано зауваження, що виникають у розробників моделей при переході від використання FORTRAN до Pascal, С, С++.

Підтримка кирилиці та можливості препроцесування дають змогу використовувати російські та українські еквіваленти ключових слів та ідентифікаторів.

Зручність у вивченні та використанні для розробників програмного оточення СППР LIANA - проблемно орієнтована мова для розробників моделей і розробників програмного оточення СППР.

Разом з тим, LIANA забезпечує широкі можливості, що надаються об'єктно-орієнтованими мовами програмування універсального призначення.

Методи виконання і трасування LA (1) - алгоритм розбору. Використання бінарних дерев (для коду) та стекової організації даних дають можливість як “звичайного”, так і “покрокового” виконання з одержанням траси.

Реалізація інтерпретатора Переносна. Інтерпретатор реалізовано у вигляді програмного коду на мові С++.

Адаптація до операційного середовища Інтерпретатор містить набір прототипів функцій, що забезпечують зв'язок LIANA програми з операційним середовищем. Врахування особливостей операційного середовища (наприклад, типів моделей, що використовуються) виконується шляхом перевизначення цих функцій.

Сервісні засоби Інтепретатор забезпечений засобами діагностування помилок у програмі та помилок “часу виконання”.

У системі Windows 95 розроблені інструментальні програмні засоби, що надають можливість підтримки написання та налагодження LIANA-програм.

Зручність практичного використання Інтерпретатор є частиною програмно-інструментальної Системи Інтеграції Моделей LIANA. Система пропонує широкий набір засобів адаптації інтерпретатора до різних операційних середовищ. Забезпечена можливість автоматичної побудови та виконання LIANA-програм у ході роботи системного оточення СППР.

Прикладних задач (ExM), типів обміну даними (ExD), вимог до часу обміну (ExT), засобів роботи з ГІС (ExGIS), засобів одержання даних з системи моніторингу (ExMon). На цей час розроблені розширення ядра системи для операційних систем DOS, UNIX, Windows 3. 1, Windows 95; типів прикладних програм - виконувана DOS програма, виконувана Windows 16- та 32-розрядна програма, об'єктний модуль, реалізований на мові програмування FORTRAN або С; UNIX процес; модель, що виконується у середовищі пакета PowerSim; програма одержання даних з GIS MapInfo на мові програмування MapBasic; типів обміну даних - обмін даних до початку і після закінчення прикладної програми, обмін даних у процесі виконання прикладної програми без жорстких вимог до часу обміну, обмін даних у процесі виконання прикладної програми з жорсткими вимогами до часу обміну; засобів роботи з ГІС - засоби прямого обміну інформацією з ГІС MapInfo, засоби побудови та роботи з ГІС у ОС UNIX; засобів обміну з системою моніторингу - одержання даних моніторингу за допомогою аналогово-цифрових карт, одержання даних через модем, приєднаний до виділеної лінії.

* DB - СУБД СППРЕБ. DB={Solutions, Data, RefDB, Samples}. DB складається із засобів збереження усіх наборів даних поточної сесії як “рішення” з можливістю подальшого повернення до них (Solutions), засобів створення та змінювання набору даних (Data), засобів створення та підтримки “бази даних стандартних значень” (RefDB), засобів створення та підтримки “бази даних зразкових наборів” (Samples).

* I - набір класів і функцій для створення інтерфейсів користувача. I={Iin, Iout}. Iin є засобами, які надають користувачеві можливість вводити інформацію. Iout - це засоби, які тільки відображають інформацію, що вже існує у вигляді наборів даних. У роботі описана методологія розробки інтерфейсів користувача СППР екологічної безпеки. Побудова СППР “від даних” дозволяє забезпечити для користувача можливість роботи тільки з “звичними речами” - картами, таблицями, графіками, звітом. Описано програмну реалізацію і використання елемента Solution Box, що імітує робочий стіл експерта або управлінця. Всі набори даних, що потрібні для прийняття рішення або містять вхідну інформацію, можуть бути “активізовані” з Solution Box (наприклад, “натисненням миші” на відповідну піктограму, кнопку або місце на географічній карті). Після активізації набору даних відбувається його створення або редагування. Користувач самостійно вибирає набори даних для активізації відповідно до інформації, яку він хоче одержати від системи або ввести у систему, визначаючи тим самим свій рівень - експерт, особа, відповідальна за прийняття рішень, оператор. Описано програмну реалізацію таких елементів, як GIS Viewer, Таблиця-Графік, 2-D поле, Teрмінал, Звіт СППР у різних операційних системах.

Для побудови СППР екологічної безпеки на базі системи LIANA та незалежно розроблених моделей необхідно виконати наступні кроки:

1. Налагодження системи відповідно до вимог конкретної СППР і побудова керуючої програми.

2. Побудова інтерфейсу користувача СППР.

3. Опис ієрархії даних, використовуваних у СППР на мові LIANA.

4. Наповнення “бази даних стандартних значень” та “бази даних зразкових наборів”.

СППР, що будується, буде мати наступну структуру:

CППР={M, DssRefDB, DssSamples, DssK, InL, DssI, LClass}, де

M- набір моделей.

DssRefDB та DssSamples - дані з “бази даних стандартних значень” та “бази даних зразкових наборів”, що формуються на основі даних, які збирають розробники математичних моделей.

DssK - ядро СППР. DssK= {LB, SIK, DB, DssExK}, де DssExK*ExK.

DssI*I - набір засобів інтерфейсу користувача, властивий для даної СППР.

InL - інтерпретатор мови програмування LIANA.

LСlass - описання типів та ієрархії даних, що використовуються у СППР, за допомогою класів мови LIANA.

У четвертому розділі розглянуто використання Системи LIANA для створення програмного оточення та інтеграції моделей у СППРЕБ, що працюють в операційних системах DOS, Windows 3. 1, Windows 95. Розглянуто розробку комп'ютеризованої системи для підтримки прийняття рішень по визначенню оптимальних стратегій відновлення водних екосистем, забруднених радіонуклідами - MOIRA і блоку АКВАТОРІЯ підсистеми “Поверхневі води” МНС України.

Характерні риси цих систем:

- Моделюючі частини СППР є незалежними і легко змінюваними. Математичні моделі реалізовані у вигляді програм, що виконуються в ОС DOS, Windows 3. 1, Windows 95 або у середовищі пакета PowerSim, що працює у Windows 95. Запропоновані програмні рішення для визначення стану таких моделей у довільний момент часу.

- Обмін даними між моделюючою частиною і ядром СППР відбувається до початку і після закінчення роботи моделей. Для обміну даними використовуються файли.

- Інтенсивне використання ГІС для підготовки даних.

Запропоновано використання “Звіту СППР”, що містить зведену інформацію, необхідну для ухвалення рішень, у вигляді таблиць і графіків. Звіт може бути продемонстрований як у складі інтерфейсу користувача СППР, так і за допомогою засобів мережі Internet. Рішення базується на побудові HTML файлу під час роботи СППР. Розглянуто деталі програмної реалізації елементу інтерфейсу користувача Internet Report Creator для ОС Windows 95.

СППР MOIRA розроблена в операційній системі Windows-95. Версії блоку АКВАТОРІЯ працюють в операційних системах DOS і Windows.

Представлено особливості розробки програмного оточення та інтеграції COPS у Програмну систему метеорологічного моніторингу АЕС Флісінгер,

Нідерланди (система COPS). Ця програмна система функціонує у середовищі операційної системи Windows.

Характерними рисами системи COPS є:

- Забезпечено синхронізацію роботи усіх складових частин системи та обмін даними в режимі реального часу. Одержання метеорологічних даних від датчиків здійснюється з частотою 0. 25 сек., з системи Doppler-Sodar - з частотою 30 хв. Результати моделювання та моніторингу передаються у систему керування АЕС з частотою 1 хв..

- Для обміну даними використано файли, що розділяються процесами.

- Моделююча частина СППР є незалежною і легко змінюваною. Модель COPS реалізовано у вигляді програми, що виконується в ОС DOS.

- Інтерфейс користувача постійно відображає як поточний стан системи, так і результати моделювання.

Запропоновано програмні рішення для таких проблем як організація обміну даними з жорсткими вимогами до часу обміну (ОС Windows 3. 1 не підтримує квантування часу) та надання програмі найвищого пріоритету виконання, Програмні рішення базуються на використанні “фільтрів” системи Windows.

У п'ятому розділі розглянуто створення програмного оточення та інтеграція моделей у Гідрологічний модуль RODOS-Hydro, що є незалежною СППР у складі СППР RODOS. RODOS-Hydro працює в операційній системі UNIX.

Характерними рисами RODOS-Hydro є:

- Моделюючі частини СППР є незалежними і легко змінюваними. Використані моделі з різним просторовим і часовим масштабом. Моделі реалізовані у вигляді об'єктних файлів на мові FORTRAN та незалежних UNIX- програм.

- Обмін даними між моделюючою частиною СППР і її ядром відбувається як до початку або після закінчення роботи моделей, так і під час роботи моделей.

- Для обміну даними використано пам'ять, що розділяється процесами. Це дає можливість використання масивів вхідних і вихідних даних із невідомою заздалегідь довжиною, забезпечення одночасної роботи моделюючих програм і відображення результатів.

- Інтенсивне використання ГІС для підготовки та відображення даних.

Запропоновано програмне рішення, що дозволяє вирішити проблеми, які виникають у разі інтеграції складних математичних моделей, реалізованих у вигляді об'єктних модулів. Вирішена проблема “застигання” інтерфейсу користувача при роботі моделей у системі X-Windows за рахунок використання загальної пам'яті, що розділяється у батьківського і дочірнього UNIX- процесів.

Принципи побудови системи, що забезпечили її гнучкість, дозволили протягом кількох днів провести заміну моделюючих програм та використати RODOS-Hydro для моделювання якості води під час аварії на Харківських водоочисних спорудах, що спричинила викид стічних вод у річку Сіверський Донець.

У висновках формулюються основні результати, одержані у роботі, та її наукова новизна.

ВИСНОВКИ

Головним результатом дисертаційної роботи є розробка, теоретичне обгрунтування та практичне впровадження інструментальних програмних засобів, що дозволяють швидко побудувати СППР з проблем екологічної безпеки на основі набору незалежно розроблених моделей.

Для досягнення цього в дисертаційній роботі:

- проведено аналіз тенденцій розвитку сучасних СППР з проблем екологічної безпеки і досліджень в області інтеграції прикладних програм; сформульовано основні властивості типових програмних реалізацій математичних моделей; запропонованометодику побудови будувати СППРЕБ шляхом інтеграції “ядра” системи, інтерфейсу користувача, ГІС, бази данихсистем управління базою даних, засобів взаємодії з системою моніторингу та незалежно розроблених моделей;

- обгрунтовано необхідність використання у процесі розробки та функціонування СППРЕБ об'єктно-орієнтованої мови, що підтримує сталі об'єкти; розроблено об'єктно-орієнтовану мову LIANA, що дозволяє формалізувати різні аспекти розробки та функціонування СППРЕБ; програмно реалізовано сервісні засоби налагодження LIANA-програм;

- розроблено методику інтеграції моделей у СППРЕБ, що дозволяє проводити інтеграцію незалежно розроблених моделей без змін у програмній реалізації моделі;

- розроблено і програмно реалізовано інструментальну програмну Систему інтеграції моделей LIANA, що дозволяє значно скоротити час, необхідний для розробки, тестування і внесення змін у СППРЕБ та зробити їх гнучкими та переносними;

- розроблено засоби настроювання інструментальної програмної системи LIANA, стандартний набір інтерфейсних елементів СППРЕБ, засоби взаємодії з ГІС та системою моніторингу, що забезпечують можливість роботи у широкому колі програмних середовищ і дозволяють задовольнити вимоги різних груп користувачів до СППРЕБ;

- проведено впровадження розроблених інструментальних програмних засобів і методики інтеграції у восьми СППРЕБ, що використовуються в Україні та за кордоном. У ході розробки інструментальних програмних засобів та їх практичного впровадження запропоновано нові програмні рішення для обміну даними, управління прикладними програмами та побудови інтерфейсу користувача у різних операційних системах.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Гофман Д.С. Применение программно-инструментальной системы LIANA для интеграции прикладных задач, ГИС и баз данных в системы поддержки принятия решений, основанные на моделях // Математические машины и системы. - 1998. - №1. - C. 75-88.

2. Гофман Д.С., Железняк М.И. Разработка интерфейсов пользователя в системах поддержки принятия решений по охране вод от радиоактивного загрязнения -“АКВАТОРИЯ” и “РИВТОКС“ // Вычислительные технологии - Новосибирск, Институт вычислительных технологий РАН. - 1995. - Т. 4, №10. - C. 141-148.

3. Heling R., Zheleznyak M., Raskob W., Popov A., Borodin R., Gofman D., Lyashenko G., Marinets A., Pokhil A., Shepeleva T., Tkalich P. Overview of modelling of hydrological pathways in RODOS // Radiation Protection Dosimetry. -1997. - V. 73, No. 1-4, - P. 67-70.

4. Hofman D., Design and development of the MOIRA software framework // Principles for the development and implementation of the MOIRA computerised system; Ed. by Monte L. and Brittain J. ; ENEA Technical Report RT/ABM/98/4; ISSN/1120-5555. -Rome (Italy) - 1998. - P. 37-57.

5. Marinets A., Gofman D., Zheleznyak M. Using GIS for modelling radionuclide transport in complex river-reservoir network // IAHS Publ. No. 235, HydroGIS 96: Application of Geographical Information Systems in Hydrology and Water Resources Management. - 1996. - P. 325- 330.

6. Zheleznyak M., Kuzmenko Yu., Tkalich P., Dzuba N., Gofman D., Golovanov I., Marinets A., Mezhueva I. Modelling of radionuclides transport in the set of river reservoirs // Computational Methods in Water Resources X, vol. 2, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht (The Netherlands). - 1994. - P. 1189 - 1196.

7. Gofman D., Lyashenko G., Marinets A., Mezhueva I., Shepeleva T., Tkalich P., Zheleznyak M. Implementation of the aquatic radionuclide transport models RIVTOX and COASTOX into the RODOS system // The Radiological Consequences of Chernobyl Accident. Proceedings of the first international conference, Minsk (Belarus), 18 - 22 March 1996; Editors A. Karaoglou, G. Desmet, G. N. Kelly and H. G. Menzel; European Commission, Luxembourg. - 1996. - P. 1181-1184.

8. Zheleznyak M., Heling R., Raskob W., Popov A., Borodin R., Gofman D., Lyashenko G., Marinets A., Pokhil A., Shepeleva T., Tkalich P. Modelling of hydrological pathways in RODOS // The Radiological Consequences of Chernobyl Accident. Proceedings of the first international conference, Minsk (Belarus) 18 - 22 March 1996; Editors A. Karaoglou, G. Desmet, G. N. Kelly and H. G. Menzel; European Commission, Luxembourg. - 1996. - P. 1139-1148.

АНОТАЦІЯ

Гофман Д.С. Інструментальні програмні засоби інтеграції математичних моделей у системи підтримки прийняття рішень з екологічної безпеки. -Рукопис

Дисертація на здобуття ученого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 13. 09 - математичне і програмне забезпечення обчислювальних машин і систем.

Запропоновано нову методику створення СППР з екологічної безпеки на базі інтеграції незалежно розроблених наборів моделей, ГІС і баз даних. Для цієї мети розроблена програмно-інструментальна Система інтеграції моделей LIANA, об'єктно-орієнтована мова інтеграції моделей LIANA, набір системних і інтерфейсних засобів для різних ОС, типів прикладних задач і обміну даними. Інтеграція математичних моделей базується на описі ієрархії даних у СППР за допомогою класів мови програмування LIANA, де моделі є засобами побудови наборів даних, що відповідають сталим об'єктам.

Запропонована методика та інструментальні програмні засоби застосовані при розробці восьми СППР з екологічної безпеки, що використовуються в Україні та за кордоном.

Ключові слова: система підтримки прийняття рішень, інструментальні програмні засоби, екологічна безпека, інтеграція математичних моделей в програмні системи, об'єктно-орієнтовані мови програмування, інтерфейс користувача

АННОТАЦИЯ

Гофман Д. С.. Инструментальные программные средства интеграции математических моделей в системы поддержки принятия решений по экологической безопасности. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 13. 09 - математическое и программное обеспечение вычислительных машин и систем.

Основной целью диссертационной работы является теоретическое обоснование, разработка и апробация инструментальных программных средств для эффективного создания систем поддержки принятия решений по проблемам экологической безопасности (СППРЭБ), основанных на математических моделях. Актуальность задачи обуславливается растущими потребностями в разработке СППРЭБ в различных операционных средах с использованием разнородных программных модулей. В диссертационной работе на основе анализа тенденций развития современных СППРЭБ и пакетов прикладных программ обосновывается необходимость разработки инструментальных средств, повышающих эффективность создания СППРЭБ и облегчающих интеграцию независимо разрабатываемых моделирующих комплексов, ГИС, баз данных, интерфейса пользователя.

Основные научные результаты диссертации могут быть кратко охарактеризованы следующим образом.

Обоснована необходимость использования в процессе разработки и функционирования СППРЭБ объектно-ориентированного языка, который поддерживает устойчивые объекты.

Разработан объектно-ориентированный язык LIANA, позволяющий формализовать различные аспекты разработки и функционирования СППРЭБ. Программно реализованы сервисные средства настройки LIANA - программ. Интеграция моделей базируется на описании иерархии наборов данных в СППР при помощи классов языка LIANA. Язык LIANA относится к семейству алголоподобных языков программирования. Язык использует LA (1) - алгоритм синтаксического анализа, бинарные деревья для организации кода, стек для представления данных. Разработан переносимый интерпретатор языка. и система автоматического построения LIANA-программ.

Разработана методика интеграции моделей в СППРЭБ, позволяющая проводить интеграцию независимо разработанных моделей без изменений в программной реализации отдельных модулей. Система LIANA предназначена для быстрого и удобного построения СППР, отвечающих современным требованиям, то есть СППР должна иметь развитый интерфейс пользователя, использовать ГИС, обеспечивать удобное хранение необходимых данных и предыдущих результатов работы с системой, быть гибкой и переносимой. Система LIANA содержит в качестве основных компонентов интерпретатор языка программирования, сервисные средства написания и отладки LIANA-программ, средства автоматического построения LIANA-программы во время работы СППР, системно-независимое ядро - центральную часть разрабатываемой СППР, расширение ядра для настройки на специфическую программную и информационную среду, СУБД СППРЭБ, набор классов и функций для создания интерфейсов пользователя. Расширение ядра включает средства адаптации к различным операционным системам, типам прикладных задач, типам обмена данными, требований к времени обмена, средствам работы с ГИС, средствам получения данных из системы мониторинга.

Разработаны расширения ядра системы для операционных систем DOS, UNIX, Windows 3. 1, Windows 95 и следующих типов прикладных программ: выполняемая DOS программа, выполняемая 16-разрядная и 32-разрядная Windows-программы, объектный модуль, реализованный на языке программирования FORTRAN или С; UNIX процесс; модель, выполняемая в среде пакета PowerSim; программа получения данных с ГИС MapInfo на языке программирования MapBasic. Расширение ядра разработаны для следующих типов обмена данными: обмен данными в начале и по завершении прикладной программы, обмен данными в процессе выполнения прикладной программы без жестких требований к времени обмена, обмен данными в процессе выполнения прикладной программы с жесткими требованиями ко времени обмена. Расширение ядра включает средства прямого обмена информацией с ГИС MapInfo, средства работы с ГИС в ОС UNIX; средства обмена данными с системой мониторинга: получение данных мониторинга с помощью аналогово-цифровых карт, получение данных через модем, подключенный к выделенной линии.

Практическое значение результатов работы определяется возможностью значительного сокращения времени разработки, тестирования и внесения изменений в СППРЭБ. Предложенная методика и инструментальные программные средства применены при разработке восьми СППР экологической безопасности, включая, созданные в рамках программ Комиссии Европейских Сообществ системы поддержки принятия решений по радиационной безопасности COSYMA, RODOS, MOIRA. Архитектура инструментальных программных средств, разработанная методика интеграции и новые технические решения, полученные при программной реализации, могут быть использованы при разработке СППР различной направленности.

Ключевые слова: системы поддержки принятия решений, инструментальные программные средства, экологическая безопасность, интеграция математических моделей в программных системах, объектно-ориентированный язык программирования, интерфейс пользователя.

ABSTRACT

Hofman D.S. “Software framework for integration of the models into the decision support system on ecological safety” - Manuscript

The thesis to claim the academic degree of Candidate of Technical Sciences. Speciality 05. 13. 09 - Mathematical methods and software for computer systems.

The methodology for development of the decision support system (DSS) on ecological safety is proposed. This methodology is based on the integration of independent models, GIS, and data bases and user interface. To achieve this goal the Models Integration System LIANA, object oriented Models Integration Language LIANA, the set of the system interface tools for different operating systems were developed. The integration is based on the description of the data hierarchy in DSS by the LIANA language classes. The models are considered in LIANA as the tools for the construction of data sets corresponding to the stable objects. The proposed methods and software tools were used in Ukraine and other countries to develop eight DSS on environmental safety.

Key-words: decision support system, software, environmental safety, mathematical model integration into software systems, object oriented programming language, user interface.

Размещено на Allbest.ru

...