Научная статья на тему 'Интеллектуальные вычисления в исследованиях направлений развития энергетики'

Интеллектуальные вычисления в исследованиях направлений развития энергетики Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

CC BY
915
133
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ / ОНТОЛОГИЧЕСКОЕ / КОГНИТИВНОЕ И СОБЫТИЙНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИТ-СРЕДА / INTELLIGENT COMPUTING / ONTOLOGY / COGNITIVE AND EVENT MODELING / INTELLIGENT IT-ENVIRONMENT

Аннотация научной статьи по компьютерным и информационным наукам, автор научной работы — Массель Людмила Васильевна, Массель Алексей Геннадьевич

Рассматривается применение интеллектуальных вычислений для поддержки принятия решений в исследованиях направлений развития топливно-энергетического комплекса страны с учетом требований энергетической безопасности. В первую очередь к ним относятся вычисления, основанные на онтологическом, когнитивном и событийном моделировании. В последнее время интеллектуальные вычисления расширены применением байесовских сетей доверия для оценки рисков чрезвычайных ситуаций в энергетике и декларативных представлений процессов преобразования данных. Реализована интеллектуальная ИТ-среда, интегрирующая инструментальные средства интеллектуальных вычислений и обеспечивающая поддержку предлагаемой двухуровневой технологии исследований.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по компьютерным и информационным наукам , автор научной работы — Массель Людмила Васильевна, Массель Алексей Геннадьевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The article considers the application of intelligent computing for decision making support in studies of directions in development of the country fuel-energy complex considering energy safety requirements. First of all they include the computations based on ontology, cognitive and event modeling. Recently the intelligent computing is expanded by application of Bayesian webs of trust for estimating the emergency risks in power engineering and declarative representations of data conversion. The intelligent IT-environment integrating the intelligent computing toolkit and providing the support of the proposed twolevel research technology has been implemented.

Текст научной работы на тему «Интеллектуальные вычисления в исследованиях направлений развития энергетики»

УДК 004.8 + 620

ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ В ИССЛЕДОВАНИЯХ НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ЭНЕРГЕТИКИ

Л.В. Массель, А.Г. Массель

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, г. Иркутск E-mail: massel@isem.sei.irk.ru; amassel@gmail.com

Рассматривается применение интеллектуальных вычислений для поддержки принятия решений в исследованиях направлений развития топливно-энергетического комплекса страны сучетом требований энергетической безопасности. В первую очередь к ним относятся вычисления, основанные на онтологическом, когнитивном и событийном моделировании. В последнее время интеллектуальные вычисления расширены применением байесовских сетей доверия для оценки рисков чрезвычайных ситуаций в энергетике идекларативных представлений процессов преобразования данных. Реализована интеллектуальная ИТ-среда, интегрирующая инструментальные средства интеллектуальных вычислений и обеспечивающая поддержку предлагаемой двухуровневой технологии исследований.

Ключевые слова:

Интеллектуальные вычисления, онтологическое, когнитивное и событийное моделирование, интеллектуальная ИТ-среда.

Key words:

Intelligent computing, ontology, cognitive and event modeling, intelligent IT-environment.

Введение

В системных исследованиях энергетики, которые выполняются в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (г. Иркутск), выделяют исследования направлений развития как топливноэнергетического комплекса страны, так и отраслевых систем энергетики, и исследования функционирования этих систем. К первому направлению относятся исследования направлений развития топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны с учетом требований энергетической безопасности, для поддержки которых выполнена предлагаемая работа.

Традиционно эти исследования выполнялись с привлечением разных версий больших программных комплексов, основанных на решении общей задачи линейного программирования, использующих экономико-математические модели ТЭК страны большой размерности, включающие несколько сотен уравнений и десятки тысяч переменных. Исследования носят многовариантный характер, причем многовариантность существенно возрастает в связи с необходимостью учета требований энергетической безопасности: на базовые варианты накладываются сценарии возможных чрезвычайных ситуаций (ЧС), а также превентивных (предупреждающих возникновение ЧС), оперативных (выполняемых во время ЧС) и ликвидационных (устраняющих последствия ЧС) мероприятий.

Энергетическая безопасность (ЭБ) не является синонимом технической безопасности и рассматривается как составляющая национальной безопасности, в части защищенности граждан, общества, государства, экономики от угроз дефицита в обеспечении их обоснованных потребностей топливно-энергетическими ресурсами приемлемого качества в различных условиях.

В последние годы в исследованиях был принят комбинаторный подход, что приводило к получе-

нию 5-10 млн вариантов, из них экспертами выделялся «коридор» наиболее вероятных вариантов, далее выполнялся более детальный анализ этих вариантов. Несмотря на уменьшение количества анализируемых вариантов, нагрузка на экспертов очень высока, и требуются большие затраты времени для анализа вариантов и формирования требуемых рекомендаций.

Авторами была предложена двухуровневая информационная технология исследований, в которой на первом уровне выполняется качественный анализ с использованием интеллектуальных вычислений, а именно: онтологического, когнитивного и событийного моделирования [1, 2]. На основе результатов качественного анализа выбираются варианты развития ТЭК, которые необходимо рассчитать более детально. Эти варианты рассчитываются на втором уровне с использованием многоагентного программного комплекса (ПК) ИНТЭК-М для исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ [3].

Интеллектуальные вычисления

Под интеллектуальными вычислениями (Intelligent Computing) понимаются методы и системы искусственного интеллекта, направленные на усиление и поддержку естественного интеллекта (поддержку принятия решений экспертами). Интеллектуальная инструментальная среда (интеллектуальная ИТ-среда) - это совокупность инструментальных средств (интеллектуальных систем и баз знаний, программных комплексов и баз данных), совместное использование которых для решения поставленной задачи осуществляется с помощью экспертов и/или интеллектуальных вычислений.

К интеллектуальным вычислениям в данной работе относятся, в первую очередь, вычисления, основанные на онтологическом, когнитивном и событийном моделировании.

Онтологии были предложены Т. Грубером (T Gruber) для декларативного представления знаний и определяются в общем виде как база знаний специального вида или как «спецификация концептуализации» предметной области. Это означает, что в предметной области на основе классификации базовых терминов выделяются основные понятия (концепты), и устанавливаются связи между ними (концептуализация). Затем онтология может быть представлена в графическом виде или описана на одном из формальных языков (формальная онтология) - это процесс спецификации онтологий. Вопросы онтологического моделирования рассматривались в работах Т. Грубера (Gruber T), Н. Гуарино (Guarino N.) и др., в нашей стране - Гавриловой ТА., Загорулько Ю.А., Калиниченко Л.А., Когаловского М.Р., Серебрякова В.А., Тузовско-го В.Ф., Хорошевского В.Ф., Ямпольского В.З. и др., а также в работах авторов и их коллег: Ворожцовой Т.Н., Скрипкина С.К., Копайгородско-го А.Н., Макагоновой Н.Н.

Под когнитивным моделированием понимается построение когнитивных моделей или, иначе, когнитивных карт (ориентированных графов), в которых вершины соответствуют факторам (концептам), а дуги - связям между факторами (положительным или отрицательным), в зависимости от характера причинно-следственного отношения. Математическим аппаратом для построения когнитивных моделей является теория графов.

Основы когнитивного моделирования были разработаны в свое время Ван Хао (1956 г.), Р. Аксельродом (1976 г.), Д.А. Поспеловым (1981 г.). Это направление получило свое развитие в работах Э.А. Трахтенгерца [4] и, в частности, активно развивается в Институте проблем управления РАН (Абрамова Н.А., Кульба В.В., Кулинич А.А., Максимов В.И. и др.) для анализа влияний при управлении слабоструктурированными ситуациями.

Вопросы когнитивного моделирования в энергетике рассматривались в работах авторов [5, 6]. В исследованиях проблем ЭБ когнитивное моделирование используется для ситуационного анализа проблемы ЭБ и моделирования угроз ЭБ, под которыми понимаются неблагоприятные для энергетики события. Реализованы инструментальные средства поддержки когнитивного моделирования

- библиотека CogMap.

Под событийным моделированием понимается построение поведенческих моделей, причем в качестве объектов моделирования могут рассматриваться как люди, так и технические объекты. Сущность событийного метода моделирования заключается в отслеживании на модели последовательности событий в том же порядке, в каком они происходили бы в реальной системе. Задаваемые моделью последовательности реализаций событий -цепочки событий - описывают сценарии реакции системы на возникновение инициирующего события, стоящего в начале цепочки.

В качестве инструмента событийного моделирования используется аппарат Joiner-сетей (JN) -одной из разновидностей алгебраических сетей, предложенной Л.Н. Столяровым [7, 8]. Joiner-сети можно рассматривать как расширение сетей Петри, ориентированное на построение поведенческих моделей. В основе теории JN лежит описание логики взаимодействия асинхронных процессов в виде набора пусковых и флаговых функций, состоящих из булевых функций. Особенностью JN является то, что они предусматривают как графическое представление, так и описание в виде логических формул, обработку которых можно автоматизировать. Событийное моделирование в энергетике развивается авторами совместно с В.Л. Ар-шинским [6, 9]. Реализованы инструментальные средства поддержки когнитивного моделирования

- библиотека EventMap.

В последнее время интеллектуальные вычисления расширены применением байесовских сетей доверия для оценки рисков чрезвычайных ситуаций [10] и средствами декларативных представлений процессов преобразования данных, обеспечивающих автоматизацию перехода от качественного к количественному анализу [11].

Интеллектуальная ИТ-среда и двухуровневая

информационная технология исследований

Предложена концепция интеллектуальной ИТ-среды, поддерживающей двухуровневую технологию исследований направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ [12]. Интеллектуальная ИТ-среда определяется как VIT=[O,E,MC,MS}'uTV, где {O} - множество онтологий; {E} - множество описаний прецедентов чрезвычайных ситуаций; {MC} -множество когнитивных моделей; {MS} - множество событийных моделей; TV - инструментальные средства поддержки ИТ-среды, включающие описание знаний, представленных в виде онтологий, описаний прецедентов ЧС, когнитивных и событийных моделей и средства оперирования ими.

Таким образом, интеллектуальная ИТ-среда включает пространство знаний, интегрирующее: онтологические модели знаний в области исследований ЭБ, базу знаний о прецедентах ЧС в энергетике и базы знаний, содержащие когнитивные модели стратегических угроз ЭБ и событийные модели развития и последствий ЧС в энергетике (рис. 1), а также инструментальные средства описания знаний и оперирования ими (рис. 2).

Библиотеки OntoMap, CogMap и EventMap реализованы на основе среды графического моделирования GrModeling [13], разработанной в лаборатории информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН, возглавляемой Л.В. Массель. Экспертная система «Emergency» разработана под руководством А.Г. Масселя, в настоящее время ее база знаний содержит описания более 600 чрезвычайных ситуаций в энергетике России за последние 30 лет [14].

Онтологические модели знаний

V У

База знаний База знаний База знаний "Х

Прецеденты Когнитивные Событийные модели

чрезвычайных » - модели угроз ' развития и последствий

ситуаций в энергетическом чрезвычайных ситуаций в

^ энергетике ^ ^ безопасности ^ энергетике ^

Рис. 1. Пространство знаний, поддерживаемое интеллектуальной ИТ-средой

Примеры когнитивных и событийных моделей, построенных с помощью библиотек Со§Мар и ЕуейМар, приведены на рис. 3 и 4. На рис. 3 приведена когнитивная модель угрозы типа «Авария, взрыв, пожар» (АВП). Имеется возможность отображения основных концептов, самой угрозы и управляющих воздействий (превентивных, оперативных и/или ликвидационных мероприятий). Положительные или отрицательные причинноследственные связи показаны знаками «+» или «-». Может быть введено более подробное описание угрозы.

Логические уравнения, описывающие передачу возбуждений в Joiner-сети, представленной на рис. 4, приведены в таблице; Joiner-сеть, соответ-

ствующая событийной карте, показанной на рис. 4, представлена на рис. 5.

Таблица. Логические уравнения, описывающие передачу возбуждений в Joiner-сети, представленной на рис. 4 (верхняя часть фрагмента)

Пусковые функции Флаговые функции

^,(Ж)=9о(0-91(Й; ^си+1):=0; <р,( t+1):=1;

щ(\+Х)=у1\]-у-,(.\); <р,(t+1):=0; ф2(t+'\):='\;

yз(t+1)=фo(t)■Vз(t)■ф4(t); <р,(t+1):=0; ф-3(t+1):=1; ty4(t+1):=1;

щи+1)=фзи)-ф5 ( А; 9з(t+1):=0; р$и+1):=1;

щ№+1) = ф4(&щ, (t) Ф4(t+1):=0; ф6(t+1):=1

Рис. 3. Пример когнитивной модели угрозы «Авария, взрыв, пожар», построенной средствами библиотеки СодМар

Файл Правка Вид Объекты Модель

I ДЫР I I С1К I I ХОЯ I

I325:376]

Рис. 4. Пример фрагмента событийной модели последствий ЧС на Саяно-Шушенской ГЭС, построенной средствами библиотеки Еуе^Мар

На рис. 6 приведена схема двухуровневой технологии интеллектуальной поддержки принятия решений в исследованиях направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ, поддерживаемая интеллектуальной ИТ-средой (рис. 2).

Заключение

В статье рассмотрено применение интеллектуальных вычислений для поддержки принятия решений в исследованиях направлений развития топливно-энергетического комплекса страны с учетом требований энергетической безопасности. В первую очередь к ним отнесены вычисления, ос-

нованные на онтологическом, когнитивном и событийном моделировании. В последнее время интеллектуальные вычисления расширены применением байесовских сетей доверия для оценки рисков чрезвычайных ситуаций в энергетике и декларативных представлений процессов преобразования данных в вычислительном эксперименте. Реализована интеллектуальная ИТ-среда, интегрирующая инструментальные средства интеллектуальных вычислений и обеспечивающая поддержку предлагаемой двухуровневой технологии исследований, включающей этапы качественного анализа с использованием интеллектуальных вычислений

Рис. 5. Joiner-сеть для событийной модели, представленной на рис. 4 и описанной в таблице

{0}

М {М}

{Е}

{В}

-множествоонтологии;

- множествокогнитивныхмоделей; -множествособытийныхмоделей; -множествоописанийпрецедентов ЧС;

- информациядляподдержкипринятия решенияпривыборестратегиипрове-дениявычислительного эксперимента;

-информациядляпринятиярешений (формированиирекомендаций); программныйкомплексдляпроведе-ниявычислительныхэкспериментов (обоснованиявариантов развития ТЭК сучетомтребованийЭБ).Напервом этапеэто ПК «ИНТЭК-М»; -эксперт-исследователь;

- лицо,принимающеерешение

Рис. 6. Схема двухуровневой технологии интеллектуальной поддержки принятия решений в исследованиях направлений развития ТЭК сучетом требований ЭБ

и количественного анализа - численных расчетов с применением многоагентного ПК ИНТЭК-М. В настоящее время рассматриваются возможности применения интеллектуальных вычислений и реализующих их инструментальных средств как прототипов интеллектуальных компонентов при управлении режимами электроэнергетических систем

в Smart Grid - умных энергетических системах [15].

Работа выполняется при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 10—07—00264, № 11-07-00192, № 12-07-00359, а также грантов Программы Президиума РАН № 15-2012 и интеграционного проекта СО РАН и НАН Беларуси № 18.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Массель Л.В. Применение онтологического, когнитивного и событийного моделирования для анализа развития и последствий чрезвычайных ситуаций в энергетике // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. - 2010. - № 2. - С. 34-43.

2. Массель А.Г. Методологический подход к организации интеллектуальной поддержки исследований проблемы энергетической безопасности // Информационные технологии. - 2010. -№ 9. - С. 32-36.

3. Аршинский В.Л., Массель А.Г, Фартышев Д.А. Мультиагент-ный программный комплекс для исследований проблемы энергетической безопасности // Информационные и математические технологии в науке и управлении: Труды XIV Байкальской Всеросс. конф. - Иркутск, 2009. - Т. 3. - С. 283-289.

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

5. Массель А.Г. Когнитивное моделирование угроз энергетической безопасности // Горный информационно-аналитический бюллетень. Отд. вып. № 17. - М.: Изд-во «Горная книга», 2010. - С. 194-199.

6. Массель Л.В., Аршинский В.Л., Массель А.Г. Интеллектуальные информационные технологии поддержки принятия решений в исследованиях и обеспечении энергетической безопасности // Интеллектуальные системы принятия решений и проблемы вычислительного эксперимента: Труды Между-нар. конф. - Евпатория, 2010. - С. 192-196.

7. Столяров Л.Н., Новик К.В. Реализация параллельных процессов с помощью сетей Joiner-net // Информационные и математические технологии: Труды Байкальской Всеросс. конф. -Иркутск, 2004. - С. 11-14.

8. Столяров Л.Н. Философия событийного моделирования на примере энергетической катастрофы // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: Труды Междунар. конф. - Украина, Гурзуф, 2010. -С. 197-200.

9. Аршинский В.Л. Событийное моделирование чрезвычайных ситуаций в энергетике // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: Труды Междунар. конф. - Украина, Гурзуф, 2010. - С. 299-301.

10. Массель Л.В., Пяткова Е.В. Применение байесовских сетей доверия для интеллектуальной поддержки исследований проблем энергетической безопасности // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2012. - № 2. -С. 8-13

11. Массель Л.В., Курганская О.В. Автоматизация вычислительного эксперимента на основе логических моделей // Вестник Иркутского государственного технического университета. -2011. - №2. - С. 8-14.

12. Массель А.Г. Интеллектуальная ИТ-среда для исследований проблемы энергетической безопасности // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: Труды Междунар. конф. - Украина, Гурзуф, 2010. -С. 306-309.

13. Копайгородский А.Н. Проектирование и реализация системы графического моделирования // Информационные и математические технологии в науке и управлении: Труды XV Байкальской Всеросс. конф. - Иркутск, 2010. - Т. 3. - С. 22-28.

14. Массель А.Г., Кузнецких В.Р., Кушнарев А.С., Пономарев И.Д., Пантелеева Л.И. Разработка экспертной системы, основанной на прецедентах чрезвычайных ситуаций в энергетике. // Вине-ровские чтения: Труды IV Всеросс. конф.- Иркутск, 2011. -Т. 2. - С. 154-159.

15. Массель Л.В. Проблема построения интеллектуальных и программных компонентов Smart Grid и подход к ее решению на основе агентной технологии // Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: Труды XL Междунар. конф. (Приложение к журналу «Открытое образование»). - Украина, Гурзуф, 2012. - С. 22-25.

Поступила 29.11.2012 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.