CC BY
8
Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. Вып. 12. 2021. Т. 12, № 5. С. 140-147.
Transactions of the Ко1а Science Centre. Information technologies. Series 12. 2021. Vol. 12, no. 5. P. 140-147.
Научная статья УДК 004.9
DOI: 10.37614/2307-5252.2021.5.12.012
ИНТЕРНЕТ МОДЕЛЕЙ ВЕЩЕЙ ДЛЯ СИТУАЦИОННОГО АНАЛИЗА И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЗАВИСИМЫХ ОТКАЗОВ
Александр Яковлевич Фридманн
Институт информатики и математического моделирования ФИЦ КНЦ РАН, Апатиты, Россия
fridman@iimm.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2408-6892 Аннотация
Для продвижения от внутреннего подхода к оценке эффективности новой системы (по набору показателей, часто не отличающихся обоснованностью) к внешнему, гораздо более объективному, подходу, когда эта оценка производится по результатам работы новой системы в составе метасистемы, предлагается дополнить рождающийся Интернет вещей новым сектором - Интернетом ситуационных моделей вещей, то есть реализовать переход от Интернета вещей к Интернету вещей и моделей. Это позволит разработчикам новых устройств и систем обосновывать безопасность их включения в существующую среду, анализируя взаимосвязи с ранее специфицированными компонентами. Ключевые слова:
ситуационное моделирование и управление, распределенная информационно-аналитическая ситуационная система, поиск и прогнозирование зависимых отказов Финансирование
Работа выполнена в рамках выполнения гос. задания по теме НИР № 0226-2019-0036. Для цитирования: Фридман А. Я. Интернет моделей вещей для ситуационного анализа и прогнозирования зависимых отказов // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. Вып. 12. 2021. Т. 12, № 5. С. 140-147. http://dx/doi.org/10.37614/2307-5252.2021.5.12.012.
Original article
INTERNET OF MODELS OF THINGS FOR SITUATIONAL ANALYSIS AND FORECASTING DEPENDENT FAILURES
Alexander Ya. FridmarF
Institute for Informatics and Mathematical Modeling Kola Science Centre of the Russian
Academy of Sciences, Apatity, Russia
fridman@iimm.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2408-6892
Abstract
To advance from the internal approach to assessing effectiveness of a new system (based on a set of indicators that often are not sufficiently grounded) to the external, much more objective, approach, when this assessment is made based on the results of functioning a new system as part of a metasystem, it is proposed to supplement the emerging Internet of Things (loT) with a new sector - the Internet of Models of Things (loMoT), that is, to implement the transition from the IoT to the IoTaM (Internet of Things and Models). This will allow developers of new devices and systems to justify safety from inclusion in the existing environment by analyzing their relationships with previously specified components.
Keywords:
situational modeling and control, distributed information-analytical situational system,
search and forecasting of dependent failures
Funding
The article was supported by the federal budget to carry out the state task of the FRC KSC
RAS No. 0226-2019-0036.
For citation: Fridman A. Ya. Internet of models of things for situational analysis and forecasting dependent failures // Transactions of the Kola Science Centre. Information Technologies. Series 12. 2021. Vol. 12, no. 5. P. 140-147. http://dx/doi.org/10.37614/2307-5252.2021.5.12.012.
Введение
В настоящее время оценка эффективности новых сложных систем и устройств обычно производится в рамках внутреннего подхода к оценке эффективности (по набору показателей, часто не отличающихся обоснованностью). Соответственно, результаты внедрения таких систем и устройств часто отличаются от расчетных, а в ряде случаев приводят возникновению нештатных и чрезвычайных ситуаций (НЧС) из-за недостаточного предварительного анализа взаимосвязей новых компонентов с уже существующими. Поэтому далее предлагается способ продвижения к внешнему, гораздо более объективному, подходу, когда эта оценка производится по результатам работы новой системы в составе метасистемы.
Обоснование такого предложения состоит в следующем:
- профилактика нештатных и чрезвычайных ситуаций (НЧС) не менее важна, чем оперативное реагирование на них;
- самые значительные ущербы наносят зависимые (сложные, комплексные) отказы (ЗСКО), порождающие цепочки событий, которые инициируют НЧС;
- существующие ситуационные центры (СЦ) специализированы для набора своих задач и слабо (или совсем не) взаимосвязаны.
Способ решения задачи
Цель проекта заключается в наделении СЦ новой функцией: обеспечение аккумуляции и комплексной интеллектуальной обработки разнородной информации о статических и динамических характеристиках потенциально опасных объектов, находящихся на подведомственной им территории, и их взаимосвязях для выявления возможностей ЗСКО.
Объектами моделирования в новой системе интеллектуальных СЦ являются промышленно-природные комплексы (ППК) - территории, экосистемы, технологии и т.д., их свойства существенно зависят от географических координат и от времени.
Актуальность задачи вызвана усложнением и взаимопроникновением ППК; ростом неопределенностей в мире из-за сложности и ускорения развития; увеличением доступности данных в связи с Интернетом Вещей (IoT).
Реализовать предложенный подход предлагается путем разработки самоорганизующейся распределенной информационно-аналитической ситуационной системы (ИАСС) для поиска и прогнозирования «узких мест» в структуре взаимосвязанных ППК с возможностью оценки ущербов от ЗСКО и обоснования рациональных мер по их предупреждению.
Новизна подхода состоит в интеграции средств изучения слабо формализованных сложных нестационарных пространственных объектов и
комплексном использовании экспертных знаний для формирования критериев и осуществления выбора предпочтительных вариантов реализации структуры ППК, изучаемых более детально в режиме имитационного моделирования. Уникальность ИАСС основана на формальных определениях всех элементов ситуационного подхода (ситуация, сценарий и т.п.) и наличии детализированных процедур автоматического контроля корректности модели на всех этапах ее создания и модификации, что позволяет оперативно уточнять модель по ходу исследования, не опасаясь роста ее сложности, сопоставлять складывающиеся на изучаемом объекте ситуации по важным для ЛПР показателям, выявлять наиболее эффективные (по предыдущему опыту и/или предпочтениям ЛПР) средства изменения состояния объекта в желательном направлении. Ядро ИАСС составляет открытая для оперативной модификации иерархическая ситуационная концептуальная модель (СКМ) ППК [1 - 3], отражающая его организационную структуру и взаимодействия между составными частями.
Теоретические основы СКМ разработаны достаточно полно, отдельные аспекты ситуационного моделирования ППК апробированы в ряде приложений [1 - 3]. Это улучшение процесса переработки минерального сырья на основе технологического графа для хибинских руд сложного вещественного состава; ретроспективный анализ состояния лесных экосистем с целью мониторинга их состояния в условиях техногенного воздействия; - оценка удароопасности горного массива в зоне горных работ; моделирование среднесрочных задач диспетчера в энергетике; выбор технологий обогащения сложного минерального сырья; технико-экономическая оценка рудных месторождений; исследование безопасности электроэнергетических систем путем защиты электрических сетей от перенапряжений.
ИАСС даст возможности полноценного использования СКМ как ядра системы ситуационного моделирования ППК различных масштабов и уровней подчиненности. Доказано, что СКМ позволяет реализовать все известные виды иерархий [4], при расширении зоны моделирования возможен переход от чисто иерархической к сетецентрической модели ППК с помощью нового метода количественного анализа ситуационной осведомленности ЛПР, ответственных за функционирование составных частей ППК [5 - 7].
Практическая значимость ИАСС заключается в адекватной реализации ситуационного подхода [8] к моделированию ППК в концептуальных пространствах [9, 10]. По алгоритмическому наполнению ИАСС относится к СЛ8Е-системам. Преимущества этой модели по сравнению с прототипами (наиболее близкий из них описан, например, в [11]), состоят в следующем:
• автоматизация всех этапов моделирования;
• широкое применение экспертных знаний для построения модели, управления логическим выводом, реализации «быстрых прототипов» элементов ППК;
• использование семантически значимых понятий предметной области для построения ее формального описания;
• использование ГИС-технологии не только для графического представления составных частей объекта и результатов моделирования, но также для постановки задачи и выполнения пространственно-зависимых расчетов;
• поддержка современных сценарных подходов к моделированию;
• наличие средств детального формального анализа модели;
• развитый аппарат сопоставительного анализа ситуаций в статике и динамике;
• автоматический синтез исполнительной среды моделирования;
• использование единой инструментальной среды и методологии для моделирования как нормальных, так и критических режимов функционирования ППК;
• возможность интеграции знаний экспертов по различным аспектам функционирования ППК для обоснования принятия решений;
• возможность учета ситуационной осведомленности ЛПР, ответственных за функционирование составных частей ППК, при решении вопросов координации их взаимодействий.
Перспективы применения ИАСС в настоящее время локализуются в двух направлениях.
1. В качестве исследовательской системы. Обоснование: естественная способность ИАСС обеспечивать аккумуляцию разнородных знаний о ППК на основе их пространственной привязки. Назначение: выявление законов функционирования и взаимосвязей параметров ППК; поэтапная разработка многоуровневых ИАСС для регионального управления. Эффект: повышение информационной обеспеченности принимаемых решений; снижение риска нежелательных последствий этих решений; обоснование мероприятий по минимизации отрицательных воздействий.
2. В качестве ситуационной системы поддержки принятия решений в СЦ [12 - 15]. Обоснование: автоматизированная технология генерации проблемно-ориентированных ИАСС на основе универсальной исследовательской модели. Назначение: анализ ограниченного набора ситуаций; предоставление ЛПР алгоритмической поддержки для обоснования решений об изменении или сохранении структуры подчиненного ему объекта (альтернатива экспертному совету). Эффект: уменьшение затрат ресурсов на разработку специализированных прикладных систем без ущерба их эффективности.
Распределенная реализация СКМ позволяет решить вопросы правообладания и режимности применения локальных подмоделей составных частей ППК по аналогии с GRID-технологиями. Разработчики новых компонентов ППК смогут обосновывать безопасность включения своего объекта в структуру ППК, анализируя его взаимосвязи с другими компонентами, уже специфицированными в СКМ. Такой анализ может стать важной составной частью технико-экономического обоснования предполагаемых структурных решений и представляется существенным аспектом повышения их объективности в современном стиле цифровизации экономики России.
Возможности развития ИАСС определяются, естественно, финансовыми и календарными ограничениями, но также связаны с дополнением рождающегося Интернета вещей новым сектором - Интернетом моделей вещей (Internet of Models of Things - IoMoT), то есть с переходом от IoT (Internet of Things) к IoTaM (Internet of Things and Models). Для повышения безопасности, целесообразно до встраивания новых устройств и систем в реальный мир встроить их модели в мир виртуальный. С точки зрения системного анализа, это соответствует продвижению от внутреннего подхода к оценке эффективности новой системы
(по набору показателей, часто не отличающихся обоснованностью) к внешнему, гораздо более объективному, подходу, когда эта оценка эффективности производится по результатам работы новой системы в составе метасистемы.
Заключение
Выше предлагается дополнить рождающийся Интернет вещей новым сектором - Интернетом ситуационных моделей вещей, то есть реализовать переход от Интернета вещей к Интернету вещей и моделей. Это позволит разработчикам новых устройств и систем обосновывать безопасность их включения в существующую среду, анализируя взаимосвязи с ранее специфицированными компонентами. Суть задачи можно выразить формулой: IoT + IoMoT = IoTaM.
Для подтверждения своевременности изложенного выше представляется уместным привести релевантные теме цитаты из выступлений спикеров недавней десятой конференции «Ситуационные центры: фокус кросс-отраслевых интересов - 2020».
«Для принятия управленческих решений сегодня недостаточно мониторинга и накопления больших объемов информации, а развитие технологий искусственного интеллекта невозможно без понимания и моделирования предметной области». /Николай Ильин/
«На предприятиях критической инфраструктуры, в органах госвласти появился запрос на российские ПО и технологии». /Елена Новикова/
«Мы больше доверяем аналитическим ИС, чем аналитикам». /Рашид Ахунов/
Список литературы
1. Фридман А.Я. Ситуационное моделирование иерархических динамических систем // Информационные и математические технологии в науке и управлении, № 1/2018, с. 5-15.
2. Фридман А.Я., Курбанов В.Г. Формальная концептуальная модель промышленно-природного комплекса как средство управления вычислительным экспериментом // Труды СПИИРАН. 2014. № 6(37). С. 424-453.
3. Фридман А.Я., Курбанов В.Г. Ситуационное моделирование надежности и безопасности промышленно-природных систем // Информационно-управляющие системы. 2014. № 4(71). С. 1-10.
4. Месарович М., Такахара Я. Общая теория систем: математические основы. М.: Мир, 1978.
5. Fridman A., Oleynik A. Modelling of Situation Awareness in Net-Centric Commercial Systems // Proc. 34th Eur. Simulation and Modelling Conf. (ESM-2020) Toulouse, France, Oct. 21-23, 2020, pp. 64-67.
6. Фридман А.Я., Кулик Б.А. Когнитивный подход к оценке ситуационной осведомленности в сетецентрических системах гражданского назначения // Гибридные и синергетические интеллектуальные системы: материалы V Всероссийской Поспеловской конференции с международным участием / под ред. д-ра техн. наук, проф. А.В. Колесникова [Электронный ресурс]: научное электронное издание. — Калининград: Издательство БФУ им. И. Канта, 2020. С. 489-497.
7. Фридман А.Я., Кулик Б.А. Возможности управления сетецентрическими системами на основе знаковых формализмов // Труды Кольского научного центра РАН, серия «Информационные технологии», вып. 11, 2020. - С. 161-165.
8. Поспелов Д.А. Ситуационное управление: теория и практика. М.: Наука, 1986.
9. Олейник А.Г., Фридман А.Я. Структура комплексных концептуальных пространств в междисциплинарных проектах // Труды КНЦ РАН, серия «Информационные технологии», вып. 11, 2020. С. 149-154.
10.Фридман А.Я. Концептуальные пространства как средство оценки ситуационной осведомленности при моделировании динамических иерархий // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. № 2 (10). С. 101-111.
11.Емельянов В.В., Ясиновский С.И. Имитационное моделирование систем: Учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009.
12.Oleynik A., Fridman A., Masloboev A. Informational and analytical support of the network of intelligent situational centers in Russian Arctic // IT&MathAZ 2018 Information Technologies and Mathematical Modeling for Efficient Development of Arctic Zone // Proceedings of the International Research Workshop on Information Technologies and Mathematical Modeling for Efficient Development of Arctic.
13.Бритков В.Б., Ройзензон Г.В., Фридман А.Я. Многокритериальный подход к оценке ситуационных центров // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. XV Всероссийская конференция (Москва, 13-14 октября.). Сборник материалов. М.: ФКУ Центр «Антистихия» МЧС России, 2016. С. 26-28.
14.Бритков В.Б., Ройзензон Г.В., Фридман А.Я. Оценка ситуационных центров по многим критериям // Система распределенных ситуационных центров как основа цифровой трансформации государственного управления (СРСЦ-2017). Труды Всероссийского Форума. СПб.: Научный совет по информатизации Санкт-Петербурга, 2018. С. 83-85.
15.Alexander Ya. Fridman, Vladimir B. Britkov, Gregory V. Royzenson. A GIS Application for Spatial Modelling and Forecasting in Situation Centres. International Conference on Information Technology and Applications (ICITA 2017), 1-4 July 2017, Sydney, Australia.
References
1. Fridman A.Ya. Situatsionnoye modelirovaniye iyerarkhicheskikh dinamicheskikh sistem [Situational modeling of hierarchical dynamical systems] // Informatsionnyye i matematicheskiye tekhnologii v nauke i upravlenii [Information and mathematical technologies in science and management], no. 1/2018, P. 5-15 (In Russ.).
2. Fridman A.Ya., Kurbanov V.G. Formal'naya kontseptual'naya model' promyshlenno-prirodnogo kompleksa kak sredstvo upravleniya vychislitel'nym eksperimentom [Formal conceptual model of an industrial-natural complex as a means of controlling computational experiments] // Trudy SPIIRAN [Proceedings of SPIIRAS]. 2014. No. 6 (37). P. 424-453 (In Russ.).
3. Fridman A.Ya., Kurbanov V.G. Situatsionnoye modelirovaniye nadezhnosti i bezopasnosti promyshlenno-prirodnykh sistem [Situational modeling of reliability and safety of industrial-natural systems] // Informatsionno-upravlyayushchiye sistemy [Information and control systems]. 2014. No. 4 (71). P. 1-10 (In Russ.).
4. Mesarovich M., Takahara J. Obshchaya teoriya sistem: matematicheskiye osnovy [General theory of systems: mathematical foundations]. Moscow: Mir, 1978 (In Russ).
5. Fridman A., Oleynik A. Modeling of Situation Awareness in Net-Centric Commercial Systems // Proc. 34th Eur. Simulation and Modeling Conf. (ESM-2020) Toulouse, France, Oct. 21-23, 2020, pp. 64-67.
6. Fridman A.Ya., Kulik B.A. Kognitivnyy podkhod k otsenke situatsionnoy osvedomlennosti v setetsentricheskikh sistemakh grazhdanskogo naznacheniya [Cognitive approach to assessing situational awareness in network-centric systems for civil purposes] // Gibridnyye i sinergeticheskiye intellektual'nyye sistemy: materialy V Vserossiyskoy Pospelovskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem / pod red. d-ra tekhn. nauk, prof. A.V. Kolesnikova [Elektronnyy resurs]: nauchnoye elektronnoye izdaniye — Kaliningrad: Izdatel'stvo BFU im. I. Kanta [Hybrid and synergetic intellectual systems: materials of the V All-Russian Pospelovskaya conference with international participation] / ed. Dr. tech. Sciences, prof. A.V. Kolesnikov [Electronic resource]: scientific electronic edition. -Kaliningrad: IKBFU Publishing House I. Kant, 2020.P. 489-497 (In Russ.).
7. Fridman A.Ya., Kulik B.A. Vozmozhnosti upravleniya setetsentricheskimi sistemami na osnove znakovykh formalizmov [Possibilities of managing network-centric systems based on sign formalisms] // Trudy Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN, seriya «Informatsionnyye tekhnologii» [Proceedings of the Kola Science Center of the Russian Academy of Sciences, series "Information Technologies"], vol. 11, 2020. - P. 161-165 (In Russ.).
8. Pospelov D.A. Situatsionnoye upravleniye: teoriya i praktika [Situational management: theory and practice]. Moscow: Nauka, 1986 (In Russ.).
9. Oleinik A.G., Fridman A.Ya. Struktura kompleksnykh kontseptual'nykh prostranstv v mezhdistsiplinarnykh proyektakh [The structure of complex conceptual spaces in interdisciplinary projects] // Trudy KNTS RAN, seriya «Informatsionnyye tekhnologii» [Proceedings of the KSC RAS, series "Information technologies"], vol. 11, 2020, pp. 149-154 (In Russ.).
10.Fridman A.Ya. Kontseptual'nyye prostranstva kak sredstvo otsenki situatsionnoy osvedomlennosti pri modelirovanii dinamicheskikh iyerarkhiy [Conceptual spaces as a means of assessing situational awareness in modeling dynamic hierarchies] // Vestnik Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN [Bulletin of the Kola Scientific Center of the Russian Academy of Sciences]. 2018. No. 2 (10). P. 101-111 (In Russ.).
11.Emelyanov V.V., Yasinovsky S.I. Imitatsionnoye modelirovaniye sistem: Ucheb. posobiye [Simulation of systems: Textbook]. M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana [M .: Publishing house of MSTU im. N.E. Bauman], 2009 (In Russ.).
12.Oleynik A., Fridman A., Masloboev A. Informational and analytical support of the network of intelligent situational centers in Russian Arctic // IT & MathAZ 2018 Information Technologies and Mathematical Modeling for Efficient Development of Arctic Zone // Proceedings of the International Research Workshop on Information Technologies and Mathematical Modeling for Efficient Development of Arctic.
13.Britkov V.B., Roizenson G.V., Fridman A.Ya. Mnogokriterial'nyy podkhod k otsenke situatsionnykh tsentrov [A multicriteria approach to assessing situational centers] // Problemy prognozirovaniya chrezvychaynykh situatsiy. XV Vserossiyskaya konferentsiya (Moskva, 13-14 oktyabrya.). Sbornik materialov. M.: FKU Tsentr «Antistikhiya» MCHS Rossii [Problems of forecasting emergency situations. XV All-Russian Conference (Moscow, October 13-14.). Collection of materials. Moscow: FKU Center "Antistikha" EMERCOM of Russia], 2016. P. 2628 (In Russ.).
14.Britkov V.B., Roizenson G.V., Fridman A.Ya. Otsenka situatsionnykh tsentrov po mnogim kriteriyam [Assessment of situational centers according to many criteria] //
Sistema raspredelennykh situatsionnykh tsentrov kak osnova tsifrovoy transformatsii gosudarstvennogo upravleniya (SRSTS-2017). Trudy Vserossiyskogo Foruma. SPb.: Nauchnyy sovet po informatizatsii Sankt-Peterburga [The system of distributed situational centers as the basis for the digital transformation of public administration (SRSC-2017). Proceedings of the All-Russian Forum. Saint Petersburg: Scientific Council for Informatization of Saint Petersburg], 2018. P. 8385 (In Russ.).
15.Alexander Ya. Fridman, Vladimir B. Britkov, Gregory V. Royzenson. A GIS Application for Spatial Modeling and Forecasting in Situation Centers. International Conference on Information Technology and Applications (ICITA 2017), 1-4 July 2017, Sydney, Australia.
Сведения об авторе
А. Я. Фридман — доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник
ИИММ КНЦ РАН.
Information about the author
A. Ya. Fridman — Dr. of Tech. Sc., professor, Leading Research Fellow of the Institute for
Informatics and Mathematical Modeling Kola Science Centre of the Russian Academy of
Sciences.
Статья поступила в редакцию 15.11.2021; одобрена после рецензирования 20.11.2021;
принята к публикации 08.12.2021.
The article was submitted 15.11.2021; approved after reviewing 20.11.2021; accepted
for publication 08.12.2021.
