Разработка программных средств исследования устойчивости социально-экономических систем

Введение

В настоящее время когнитивные модели находят широкое применение у отечественных и зарубежных исследователей для анализа социальных, политических и экономических ситуаций [1,2]. В основном используются простые модели, в которых присутствует 10-15 элементов. Но даже при исследовании простых моделей возникают проблемы с решением вопросов об устойчивости социально-экономических процессов, со структурным анализом (выделением циклов, путей, анализом связности и сложности), моделированием прохождения и передачи импульсов между взаимосвязанными элементами системы. Принцип когнитивности, то есть познавательности субъектом объекта, требует представления графических результатов моделирования, переструктурирования моделей, объединении различных подсистем в одну систему и обособленный анализ различных взаимодействующих компонентов и тому подобное. Решение указанных проблем требует применения специальных компьютерных программ.

При современном развитии аппаратных средств и средств визуального программирования построение программной системы поддержки когнитивного моделирования не вызывает трудностей. Такие задачи сегодня ставятся и решаются в отдельных секторах Института управления РАН. Существует ряд программ, реализующих технологию когнитивного моделирования для решения задач управления сложными системами. Это такие программно-методологические комплексы, разработанные в ИПУ РАН, как “Интегрированный информационно-аналитический комплекс ситуационного анализа», ориентированный на реализацию когнитивной технологии стратегического управления развитием сложных социально-экономических объектов в нестабильной внешней среде, или комплекс “ИМПАН”, предназначенный для моделирования систем различного назначения с использованием аппарата знаковых графов [2].

Успех использования компьютерных технологий когнитивного моделирования, экономический эффект от их применения и перспективность данного направления сегодня не вызывает сомнений. Но в существующих программных системах отсутствует возможность решения всех обозначенных выше системных задач, поэтому в течении ряда лет разрабатывалась (Радченко С.А., Горелова Г.В.) программная система ПСКМ (Программная Система Когнитивного Моделирования), позволяющая в комплексе решать все задачи и реализующая предложенную методологию когнитивного моделирования сложных систем.

При этом упор сделан на программирование и реализацию функций структурного анализа: выяснение закономерностей развития ситуаций, выявление «хороших» и «плохих» сценариев, анализ взаимодействия различных подсистем и взаимодействующих компонентов, поиск механизмов воздействия на систему управления. Алгоритмы разработанной программной системы поддержки принятия управленческих решений в социально-экономической системе основаны на когнитивном и сценарном моделировании [2,3], методах теории графов и теории систем [4].

I. Анализ и разработка требований к ПС КМ

В процессе разработки требований должны решаться следующие задачи:

1)определения формата поступающей со стороны исследуемой системы информации;

2) определения функций, подлежащих выполнению ПС КМ;

3) определения взаимосвязи между функциями ПС КМ;

4) выполнения анализа ограничений на структуру и состав исследуемых моделей;

5)определения требования к алгоритмам и вычислительным ресурсам ПС КМ.

1) Определение формата. Поступающая со стороны исследуемой системы информации должна представляться в виде вербального описания исследуемой системы.

2) Определение функций. Предлагается следующий основной состав функций, который будет обеспечивать решение задач ПС КМ: а) функция создания и обработки гипертекста; б) функция взаимодействия с базой данных, связанной с изучаемой предметной областью; в) функция создания и корректировки когнитивной карты; г) функция импульсного моделирования; д) функция решения обратной задачи импульсного моделирования;

е) функция анализа

Рис1. Этапы разработки программной системы

устойчивости модели; ж) функция структурного анализа, функция разработки сценариев.а) Функция создания и обработки гипертекста. Функция должна поддерживать создание пользователем на основе обычного текста гипертекста (текста, снабженного ссылками элементов текста друг на друга) и преобразование его в когнитивную карту. Требования к функции:

гипертекст должен содержаться в отдельном прокручивающемся окне, размеры которого могут меняться;

параметры формата вывода гипертекста должны изменяться с изменением размеров окна;

гипертекст должен содержать элементы двух видов: сущность, то есть фактор, присутствующий в тексте и связь, то есть, отношение между факторами, также указанное в тексте;

отношения между факторами задаются как многие к многим, то есть каждый фактор (и соответствующие ему элементы гипертекста) может быть связан с несколькими факторами;

одни и те же факторы можно указывать в разных предложениях естественного языка. При этом разные элементы гипертекста могут соответствовать одному и тому же фактору, название которого задается один раз;

каждому элементу гипертекста, сопоставлены его свойства: для фактора - свойства фактора, для дуги - свойства дуги;

необходимо, чтобы при создании гипертекста были доступны функции добавления, изменения и удаления сущностей (факторов) и связей (отношений);

необходимо, чтобы при создании гипертекста были доступны функции добавления, изменения и удаления сущностей (факторов) и связей (отношений);

при просмотре свойств сущностей должны быть доступны для просмотра и навигации списки сущностей, которые связанные с рассматриваемой. Данное требование относится также и к связи. При этом для навигации должны быть доступны сущности, образующие данную связь.

б) Функция взаимодействия с базой данных, связанной с изучаемой предметной областью. Функция необходима для визуального анализа динамики изменения показателей. Для реализации функции необходимо: 1) создать логическую и физическую структуру будущей базы данных; 2) организовать доступ пользователю к просмотру и поиску записей базы данных, хранящих необходимые статистические данные; 3) организовать возможность выбора записи, соответствующей временному ряду изменения показателя, и просмотра графика изменения показателя.

в) Функция создания и корректировки когнитивной карты. Для реализации необходимо: 1) задать вершины графа, представляющих собой элементы когнитивной карты; 2) задать дуги графа, представляющие собой отношения между элементами когнитивной карты; 3) задать текущие значения параметров вершин графа; 4) представить и отобразить на экране дисплея созданный ориентированный граф; 5) сохранить данные построенного графа в файле на жестком диске для последующего использования построенной когнитивной карты.

г) Функция импульсного моделирования. Для реализации необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) задать текущие импульсы в вершинах; 3) задать количество шагов моделирования; 4) провести расчеты импульсного моделирования по заданным входным данным; 5) выбрать вершины, изменения которых будут отображаться на графике при моделировании; 6) отобразить на графике результаты моделирования; 7) сохранить результаты моделирования в файл на жестком диске для последующей распечатки на принтере.

д) Функция решения обратной задачи импульсного моделирования. Для реализации необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) задать текущие импульсы в вершинах когнитивной модели; 3) задать вершины-субъекты когнитивной модели; 4) задать вершины-объекты; 5) задать ограничения, налагаемые на тенденцию изменения вершин-объектов; 6) задать интервал времени воздействия на вершины-субъекты со стороны лица принимающего решение; 7) задать интервал времени, в течение которого должны выполняться ограничения на изменение значений вершин-объектов; 8) провести расчет программы воздействий на вершины-субъекты, которая удовлетворяет заданным ограничениям при минимальных расходах; 9) отобразить результаты расчета программы воздействий на экране дисплея; 10) сохранить результаты расчета программы воздействий в виде текстового файла на жестком диске для возможности последующей распечатки и анализа;

e) Функция анализа устойчивости модели. Для реализации функции необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) произвести расчет собственных чисел матрицы взаимосвязей вершин когнитивной модели; 3) произвести отображение найденных собственных чисел на экране дисплея; 4) сохранить найденные собственные числа в текстовый файл для последующей распечатки и анализа;

ж) Функция структурного анализа. Функция предназначена для поиска циклов, путей и компонентов связности когнитивной модели. Для реализации функции необходимо: 1) открыть для работы файл данных когнитивной модели; 2) произвести поиск всех простых элементарных циклов (простых элементарных путей или компонентов связности) когнитивной модели; 3) произвести отображение списка найденных циклов и т.п. на экране дисплея в отсортированном по количеству вершин виде; 4) выделение выбранных циклов и т.п. на когнитивной модели; 5) перенос текущих выделенных циклов и т.п. в отдельную новую когнитивную модель для последующей работы; 6) сохранение списка найденных циклов и т.п. в текстовый файл для последующей распечатки и анализа.

3) Определение взаимосвязи между функциями. Взаимосвязи между описанными функциями следующие.

а) Реализация функции формирования во взаимодействии с пользователем ПС взвешенного орграфа для выполнения функции импульсного моделирования, разработки программы воздействий, анализа устойчивости и структуры сформированной когнитивной модели.

б) Для формирования когнитивной модели может быть необходима функция создания и обработки гипертекста.

в) Функция доступа к базе данных помогает оценить адекватность, а также может быть полезной при построении когнитивной модели для оценки отношений между факторами.

г) Функцию разработки управляющих воздействий целесообразно использовать после оценки развития ситуации с помощью функции импульсного моделирования.

Таким образом, будем иметь схему взаимосвязей между функциями ПС, отображенную на рисунке 2.

4) Анализ ограничений на структуру и состав исследуемых моделей. Система должна быть в состоянии проводить анализ моделей, количество вершин, в которых может достигать 100 и более. Как показывает опыт, большое количество вершин сильно затрудняет анализ, как по времени работы алгоритмов, так и в плане восприятия пользователем структуры модели. Поэтому при разработке социально-экономических моделей, основанных на когнитивном подходе разумно включать в модель до 30 вершин, а при необходимости создавать объединенные по некоторым признакам группы вершин - блоки, и рассматривать каждый блок как одну вершину.

компьютерный когнитивный моделирование программный

Рис. 2. Схема взаимосвязей между функциями ПС

5) Требования к алгоритмам и вычислительным ресурсам. Используемые алгоритмы и вычислительные ресурсы должны быть настолько эффективны, чтобы в течение 1-2 секунд закончить свою работу с когнитивной моделью, состоящей примерно из 10 вершин, каждая из которых смежна с 3-4 остальными вершинами. Модель с такой структурой с одной стороны не очень сложна, а с другой стороны может вполне решать задачу укрупненного представления исследуемой системы управления и более или менее детализированного представления ее подсистем.

Программная система должна работать в среде Windows 95 и выше. Уверенная работа программы возможна при условии, если конфигурация технических средств компьютера не хуже чем следующая: 16 Mb оперативной памяти, 66 MHz скорость процессора, 10 Mb свободной памяти на жестком диске.

На основании проведенного анализа требований к программной системе рассмотрим окончательное определение целей ее создания.

II. Определение целей создания ПС

Цель разработки программной системы - получить инструментарий, позволяющий строить когнитивные модели социально-экономических систем, проверять их адекватность, проводить анализ динамических и структурных свойств построенных моделей, прогнозировать развитие ситуаций и формировать программы управляющих воздействий. Для полного определения целей необходимо выяснить группы пользователей ПС.

Первая группа пользователей - это специалисты в предметной области, аналитики возникающих ситуаций. Группа этих пользователей имеет представления о структуре так называемых базисных знаний в исследуемой системе, это экономические законы и законы природы, которые не должны противоречить закладываемым в когнитивные модели знаниям. Их задача - максимально подробно описать на естественном языке существующую проблему и помочь инженерам по знаниям построить непротиворечивые, адекватные реальной действительности когнитивные модели.

Вторая группа пользователей - инженеры по знаниям (инженеры-когнититологи), для которых характерен упрощенный, технологический подход к знаниям. Инженеры по знаниям являются специалистами в области системного анализа и построения систем. Их задача состоит в том, чтобы выделить и связать между собой основные базисные факторы во взаимодействии со специалистами в исследуемой предметной области. Эта задача становится эффективно реализуемой при использовании технологии гипертекстовых ссылок. В результате машинной обработки гипертекста формируется когнитивная модель анализируемой ситуации. Далее инженер-когнититолог проводит когнитивный анализ региональной ситуации.

Третья группа пользователей - это непосредственные заказчики исследований, лица принимающие решения. Эти пользователи являются потребителями информации, которую получили инженеры-когнитологи вместе со специалистами по предметной области в результате работы с ПС. От третьей группы пользователей зависит, будет ли полученная информация полезно использована, если она оценивается ими как достоверная, полная и непротиворечивая или же останется невостребованной. Именно специалисты, непосредственно связанные с принятием решений могут в полной мере оценить свойства полученной информации и решить, учитывать ее или нет при принятии управленческих решений.

2. Разработка внешних спецификаций проекта. Целью процесса III является конкретизация внешних взаимодействий в ПС без конкретизации внутреннего устройства. Программная система состоит из модулей, Детальный внешний проект функций, соответствующих представленным модулям приведен ниже. Определение внешних спецификаций функций включает описание формата входных и выходных данных, осуществляемые преобразования в системе и обработка данных, а также особенности реализации (определение надежности, эффективности, сообщения об ошибках и т.п.),

Структура входных данных показана на рисунке 3.

Рис. 3. Структурная схема модулей