CC BY
92
УДК 004.89, 004.942, 338.24
А.В. Маслобоев1,2, В.А. Путилов1,2
1 Институт информатики и математического моделирования Кольского НЦ РАН
2 Кольский филиал Петрозаводского государственного университета
МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ ПОДДЕРЖКИ УПРАВЛЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬЮ АРКТИЧЕСКИХ РЕГИОНОВ РОССИИ*
Аннотация
В статье представлены результаты исследований, полученные в ходе выполнения работ по проекту РФФИ № 12-07-00138-а "Разработка когнитивных моделей и методов формирования интегрированной информационной среды поддержки управления безопасностью арктических регионов России". Приводится краткая характеристика основных научных результатов, рассматриваются их особенности и области применения.
Ключевые слова:
когнитивные информационные технологии, распределенная среда, информационноаналитическая поддержка, управление, региональная безопасность, концептуальное моделирование, имитационное моделирование, мультиагентный подход, арктический регион.
A.V. Masloboev, V.A. Putilov
DEVELOPMENT OF COGNITIVE MODELS AND METHODS FOR INTEGRATED INFORMATION ENVIRONMENT FORMATION FOR ARCTIC REGION SAFETY MANAGEMENT SUPPORT OF RUSSIAN FEDERATION
Abstract
The paper represents research issues and work-out results received within the bounds of research works carried out according to RFBR research project № 12-07-00138-а "Development of cognitive models and methods for integrated information environment formation for Arctic region safety management support of Russian Federation". A brief characteristic, distinctive features and application areas of the main scientific contributions have been considered.
Keywords:
cognitive information technologies, distributed system, information and analytical support, management, regional security, conceptual modeling, simulation, agent-based approach, Arctic region.
Введение
Арктическая зона Российской Федерации (АЗ РФ) является объектом сферы национальных интересов ведущих мировых держав, что ослабляет позиции присутствия РФ в Арктике, владеющей значительными ее территориями, и формирует вектор угроз национальным интересам РФ в этом районе: геополитическим, социально-экономическим, оборонным,
демографическим и экологическим. Повышение интереса к Российской Арктике
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (проект №12-07-00138 «Разработка когнитивных моделей и методов формирования интегрированной информационной среды поддержки управления безопасностью арктических регионов России»).
10
обусловливает высокую актуальность темы защиты интересов РФ в Арктической зоне и выводит задачу обеспечения комплексной безопасности развития арктических регионов России на передний план, позиционируя ее как самостоятельную проблему, требующую научной проработки [1]. Решение данной задачи затрудняется необходимостью интеграции, обработки и анализа большого объема разноплановой информации для различных ведомств, а также согласованности информационного взаимодействия соответствующих структур управления безопасностью. В связи с этим, одним из приоритетных направлений государственной политики РФ в Арктике, согласно «Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года», является развитие сферы информационных технологий и связи.
Анализ мер, осуществляемых РФ по развитию сферы информационных технологий для задач управления безопасностью (социальной, экономической, промышленно-экологической, кадровой и т.д.) в Российской Арктике, свидетельствует о том, что их эффективность существенно снижается в результате возникновения ряда проблем [2], вызванных:
- отсутствием современной информационно-телекоммуникационной инфраструктуры, позволяющей предоставлять информационные услуги населению и хозяйствующим субъектам на всей территории АЗ РФ;
- необходимостью интеграции, обработки и анализа больших объемов семантически и организационно разнородной информации в интересах различных ведомств;
- необходимостью координации информационного взаимодействия субъектов регионального управления и структур обеспечения безопасности в едином информационном пространстве АЗ РФ;
- ограниченным доступом к пространственно-распределенным источникам проблемно-ориентированной информации, необходимой для оперативной поддержки принятия решений по управлению комплексной безопасностью в чрезвычайных и кризисных ситуациях, ввиду организационной (ведомственной) разнородности субъектов регионального управления;
- отсутствием целостной информационно-аналитической среды для комплексного решения задач управления безопасностью развития арктических регионов, позволяющей повысить оперативность, достоверность и качество информации об обстановке в АЗ РФ.
В ходе предварительных исследований отечественных и зарубежных научно-методических и программных разработок, комплексно решающих перечисленные проблемы, не выявлено. Современные системы информационной поддержки управления комплексной безопасностью региональных социальноэкономических систем (РСЭС) разрабатываются, как правило, под конкретные задачи - например, связанные с метеорологией, энергетикой, морской деятельностью, кибербезопасностью или экологией, и не предусматривают вариантов совместного использования.
Таким образом, актуальной и стратегически важной задачей является разработка новых и развитие существующих методов и средств информационноаналитической поддержки управления комплексной безопасностью развития РСЭС АЗ РФ, подверженных влиянию множества разнородных внутренних и
11
внешних факторов. Для решения данной задачи перспективным направлением исследований является создание когнитивных технологий построения виртуальных про-активных систем, обеспечивающих основу для формирования расширяемой многофункциональной информационной инфраструктуры безопасности арктических регионов, наделенной потенциалом к саморазвитию и самоорганизации. Информационная среда поддержки управления комплексной безопасностью арктических регионов представляет собой комплекс проблемноориентированных, взаимоувязанных и взаимодействующих информационноаналитических ресурсов, а также технологическую и организационную инфраструктуру их создания и использования [3, 4].
В статье рассматриваются результаты исследований, полученные в ходе выполнения работ по проекту РФФИ № 12-07-00138-а "Разработка когнитивных моделей и методов формирования интегрированной информационной среды поддержки управления безопасностью арктических регионов России".
Объектом исследования являются комплексная безопасность развития региональных социально-экономических систем (далее - региональная безопасность) АЗ РФ, подверженных влиянию множества внешних и внутренних факторов, а также формализованные модели виртуальных организационных структур обеспечения безопасности, рассматриваемые как сетецентрические ситуационно-коалиционные мультиагентные системы.
Пилотным полигоном исследований является Мурманская область, как наиболее изученный регион АЗ РФ, стратегически значимый с точки зрения своего геополитического и геоэкономического положения, роли в обеспечении обороноспособности страны, запасов природных ресурсов.
Цель исследования заключается в разработке и анализе когнитивных моделей, методов и технологий, ориентированных на создание сетецентрических проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных систем, обеспечивающих комплексную информационно-аналитическую поддержку и повышение эффективности согласованной деятельности субъектов региональной безопасности.
Единая методологическая база исследований включает: методы
системного анализа, теории многоагентных систем, концептуального и имитационного моделирования, системной динамики, нечеткой логики, интеллектуальной поддержки принятия решений, а также математической теории безопасности и риска. В ходе исследований предложен когнитивный подход к решению задач управления глобальной безопасностью региональных социально-экономических систем, основанный на интеграции методов концептуального, системно-динамического и мультиагентного моделирования.
Исследования проходили в три этапа. Первый этап предусматривал системный анализ проблем информационного обеспечения комплексной безопасности развития РСЭС с целью постановки и формализации задач информационной поддержки управления региональной безопасностью, разработку и развитие теоретической базы для создания информационных технологий поддержки управления комплексной безопасностью арктических регионов. Второй этап предполагал разработку моделей, методов и технологий формирования интегрированной информационно-аналитической среды поддержки управления региональной безопасностью. Третий этап включал создание программно-алгоритмической базы информационно-аналитической
12
поддержки задач управления рискоустойчивым региональным развитием в АЗ РФ, разработку компонентов распределенной мультиагентной системы информационного обеспечения региональной безопасности.
Актуальность и высокая значимость проведенных исследований для экономики и обороноспособности страны подтверждается принятием постановлений Правительства РФ «Основы государственной политики РФ в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» (утверждено Указом Президента РФ 18.09.2008 г. Пр-1969) [5], «Стратегия национальной безопасности РФ до 2020 года» (утверждено Указом Президента РФ 12.05.2009 г. №537) [6], «Стратегия развития АЗ РФ и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года» (утверждено Указом Президентом РФ 20.02.2013 г., Пр-232) [7].
Далее представлена общая характеристика полученных результатов, их особенности и сферы применения.
I этап (2012 г.)
В результате исследований на первом этапе предложен вариант формализации системы знаний о существующих и возможных подходах к решению задач управления региональной безопасностью и связанных с этими задачами информационных процессах. Формализация реализована в виде интегрированной концептуальной модели мультиагентной информационноаналитической среды поддержки управления комплексной безопасностью региона [8]. Модель представляет собой базу знаний древовидной структуры и является основой ментальной подсистемы гибридной InteRRap-архитектуры когнитивных программных агентов [9], представляющих субъектов безопасности в виртуальной среде. Данная подсистема определяет интеллектуальность, цели и правила взаимодействия агентов, а также отношения между ними. Концептуальная модель обладает когнитивными свойствами и обеспечивает основу для автоматизации и имитационного моделирования типовых процессов управления безопасностью с целью синтеза виртуальных организационных структур под конкретную задачу и оценки потенциальных угроз безопасности при различных сценариях развития региона.
В концептуальной модели явно представлены когнитивные программные агенты субъектов региональной безопасности как специальный тип объектов. Агенты обеспечивают имитацию деятельности субъектов безопасности в виртуальной информационной среде поддержки управления безопасностью, реализуют поиск субъектов совместной деятельности и участвуют в формировании виртуальных организационных структур безопасности для согласованного решения задач управления региональной безопасностью и ее составляющими. Отношения, представленные в модели, обеспечивают формализацию взаимосвязей и взаимодействия компонентов реальной социально-экономической среды и инфраструктуры безопасности региона. Отношения принадлежности связывают когнитивных программных агентов с субъектами региональной безопасности.
Модель обеспечивает унифицированное описание виртуальных организационных структур безопасности и алгоритмов функционирования когнитивных агентов, представляющих субъектов региональной безопасности в мультиагентной виртуальной среде. Модель является базисом для создания
13
информационных технологий и средств реализации виртуальной среды информационно-аналитической поддержки управления безопасностью региона. За счет логического вывода на модели обеспечивается возможность реализации процедур синтеза виртуальных организационных структур, объединяющих агентов субъектов региональной безопасности в коалиции, ориентированные на решение типовых задач управления безопасностью функционирования региональных подсистем и их компонентов. Вывод на модели также обеспечивает реализацию процедур оценки потенциальных рисков возникновения внутренних и внешних угроз безопасности развития региона и синтез спецификаций исполнительной среды для реализации моделирования в интересах решения задач управления безопасностью регионального развития.
Из построенной концептуальной модели следует система показателей безопасности - набор определенных параметров для каждой области региональной безопасности, которые используются в качестве входных параметров соответствующих имитационных моделей [10], разработанных на следующих этапах исследования.
Разработан комплекс базовых системно-динамических шаблонов для имитационного моделирования задач управления региональной безопасностью [11]. Шаблон представляет собой имитационную модель, обладающую фиксированной структурой и настраиваемыми параметрами. Наличие библиотеки шаблонов обеспечивает возможность оперативного создания имитационных моделей основных составляющих региональной безопасности, позволяющих исследовать различные варианты развития ситуаций и последствия реализации решений в сфере управления безопасностью. Типовые шаблоны созданы для таких концептуальных классов, как: объекты обеспечения безопасности, субъекты безопасности, действующие факторы (внутренние и внешние угрозы безопасности), ситуации, сценарии снижения рисков возникновения потенциальных угроз безопасности. Синтез проблемноориентированных имитационных моделей из шаблонов осуществляется на основе концептуального описания решаемой задачи. На основе предложенной библиотеки типовых имитационных шаблонов разработаны исследовательские варианты системно-динамических моделей управления продовольственной, экономической и кадровой безопасностью региона, обеспечивающие отработку технологии анализа с использованием имитационного моделирования разнородных рисков, связанных с компонентами региональной системы. Применение моделей позволяет путем многократной имитации получить комплексную оценку безопасности на каждом этапе выбранного сценария развития региона. Кроме того, системно-динамические модели могут быть использованы для приближенного прогноза и выявления тенденций в динамике показателей безопасности региона.
Предложено инструментальное средство формирования моделей на основе типовых шаблонов [12]. Программный продукт реализован в виде вебприложения, позволяющего осуществлять в дистанционном режиме синтез имитационных моделей в результате интеграции и настройки отдельных типовых системно-динамических шаблонов. В качестве имитационной среды на серверной стороне приложения используется средство моделирования Anylogic.
Разработана архитектура и базовые компоненты управляющего ядра распределенной проблемно-ориентированной агентной платформы [13]
14
поддержки создания и использования полимодельных комплексов для задач управления безопасностью развития региональных социально-экономических систем. Компоненты управляющего ядра обеспечивают поддержание корректного и согласованного функционирования когнитивных агентов субъектов безопасности в виртуальном информационном пространстве региона, а также выполнение процедур автоматизированного синтеза проблемноориентированных имитационных моделей из шаблонов для создания полимодельных комплексов и их последующего использования в имитационном аппарате когнитивных агентов для реализации прогностических функций. Созданные компоненты обеспечивают поддержку функционирования и взаимодействия программных когнитивных агентов, представляющих интересы реальных субъектов проблемно-ориентированной деятельности в виртуальных распределенных информационных средах.
Проблемно-ориентированная агентная платформа поддержки управления безопасностью [13] состоит из взаимодействующих между собой когнитивных программных агентов основных типов субъектов безопасности, реализованных в виде отдельных приложений. Каждый из агентов технически реализуется в виде локальных программ (.exe) или веб-сервисов. В состав платформы входят также подсистемы, реализующие процедуры формирования коалиций агентов и механизмы управления совместной деятельностью, технологии обеспечения информационной безопасности агентов и данных, которыми они оперируют, алгоритмы миграции агентов, механизмы интеграции разнородных информационных ресурсов. Разработаны специализированные компоненты распределенной агентной платформы для создания полимодельных комплексов поддержки управления безопасностью: средства формирования отдельных подмоделей с помощью разных методов моделирования и их интеграции в общий полимодельный комплекс; средства, обеспечивающие согласование и выбор общесистемного шага моделирования для различных подмоделей; процедуры формирования и исполнения подмоделей внутри имитационного аппарата когнитивных агентов; средства интеграции (консолидации) результатов в разрезе конкретной решаемой задачи (проблемы) управления безопасностью развития системы и др. Разработанные компоненты обеспечивают расширение функциональных и технологических возможностей существующих агентных платформ, применяемых для поддержки функционирования и взаимодействия программных когнитивных агентов, представляющих интересы реальных субъектов проблемно-ориентированной деятельности в виртуальных распределенных информационных средах.
Проведены исследования в области использования нейросетей в качестве базиса для создания моделей оценки состояний надежности, уровня безопасности и прогнозирования развития социально-экономических и технологических систем [14, 15]. Достоинством решений на основе нейронных сетей является гибкость их структуры и способность к самообучению, что обеспечит их адаптивность к изменениям моделируемых систем. Использование нейросетевых моделей совместно с агентными технологиями позволяет получить динамические по своей структуре и свойствам информационные системы интеллектуальной поддержки принятия решений в сфере управления региональной безопасностью. Предложена технология синтеза структуры оценки состояния надежности социально-экономической системы арктического
15
региона на основе использования нейронных сетей встречного распространения [14, 15]. Использование данного математического аппарата дает возможность определения состояний системы при большом количестве векторов входных параметров. Для определения состояний надежности региональной социальноэкономической системы предложено использовать элементы многопороговой логики и нечетких множеств.
II этап (2013 г.)
В рамках второго этапа исследований по плану проекта разработана иерархическая модель развертывания деятельности когнитивных агентов [16] для моделирования целенаправленного поведения субъектов региональной безопасности в проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных средах, реализуемая в виде многослойной семантической сети. Ядром модели является четырехуровневая схема развертывания деятельности: "деятельность -ситуация - действие - операция". На каждом уровне отражаются как радиальные связи (от периферии к центру) между регулятивными (в частности, интенциональными и поведенческими) и морфологическими компонентами деятельности, так и кольцевые связи между базовыми функциями организации деятельности. Модель обеспечивает технологическую основу для синтеза функциональной структуры и анализа динамики взаимодействия когнитивных агентов в мультиагентных виртуальных системах, ориентированных на решение задач управления региональной безопасностью.
В рамках решения задачи разработки информационных технологий поддержки рискоустойчивого управления безопасностью промышленноприродных систем арктических регионов РФ сформирована система основных понятий предметной области, выполнена классификация основных техногенноэкологических опасностей арктических регионов РФ, сформулирована постановка задачи обеспечения техногенно-экологической безопасности развития [17]. Создана информационная технология обеспечения защищённости типовых критически важных объектов АЗ РФ от угроз техногенного, природного характера и террористических актов [18, 19]. Совокупность свойственных АЗ РФ потенциальных техногенно-экологических опасностей представлена в виде многоуровневой системы вложенных таблиц (матриц) "источники опасностей - объекты воздействия опасностей". При разработке и исследовании моделей управления безопасностью применялся принцип приемлемого риска. Под приемлемым риском понимается риск, достижимый и оправданный (допустимый) с точки зрения социально-экономических и экологических факторов обеспечения безопасности развития, т.е. риск, с которым можно мириться ради получения определенных положительных результатов деятельности в настоящем и будущем. Величина приемлемого риска определяется набором разнородных факторов. Разработана и апробирована на конкретных примерах технология синтеза рациональных структур информационного обеспечения задач управления промышленно-экологической безопасностью региональных систем АЗ РФ. Технология позволяет оптимизировать структуру и состав разнородной информации, необходимой для поддержки принятия решений в сфере управления промышленно-экологической безопасностью арктических регионов.
16
Для управления безопасностью промышленно-природных систем разработана методика построения нечетко-определенных моделей, включающих идентифицирующую, прогнозную и нечеткую составляющие [20]. Для формализации рассматриваемых задач использованы базовые математические понятия теории множеств и соответствий. В рамках используемого формализма определяются множества регламентных (допустимых) состояний системы, а также множество опасностей и множество управлений, направленных на нейтрализацию опасности. В качестве критерия оценки управления предложено использовать индекс риска. Определение области безопасности функционирования системы основано на нечетком отношении предпочтения во множестве альтернатив. Индекс риска достигает минимума при совпадении рабочей точки системы с центром области безопасности. Система функционирует в области безопасности, если ее индекс риска не выходит за пределы некоторой величины, называемой границей безопасности по учитываемым факторам.
Для эффективного управления безопасностью развития природнопромышленных комплексов арктических регионов предложены методы реализации упреждающего управления [21, 22]. В контексте данного вида управления осуществляется прогноз изменения параметров объекта управления на некоторый промежуток времени с помощью нейросетевых методов. Для моделирования применяются сети Гроссберга и Кохоннена, обеспечивающие высокую адаптивность создаваемых моделей, что позволяет избежать «ручной» корректировки в условиях динамически изменяющихся характеристик объекта управления. Указанные модели дополняют имитационный аппарат агентов, отвечающих за решение задач анализа ситуаций и выбор управляющих воздействий с целью предотвращения роста индекса риска.
Построена онтологическая модель проблемы социальной безопасности арктических регионов, отражающая структуру основных понятий предметной области [23]. В модель, наряду с субъектами и объектами социальной безопасности, включены социально-экономические индикаторы состояния общества, наиболее часто используемые для количественных оценок уровня социальной безопасности, а также отношения, обеспечивающие вычисление синтетических (интегральных) показателей социальной безопасности. Проведена адаптация разработанных ранее алгоритмов с целью формирования сечений созданной онтологии, представляющих концептуальное описание конкретных ситуаций, и последующего синтеза имитационных моделей для оценки развития этих ситуаций. Разработаны исследовательские версии моделей идентификации ситуаций в социальной безопасности, основанные на использовании методов нечеткой логики и нейронных сетей.
Разработана структура и определены основные функции подсистемы мониторинга социальной безопасности, ориентированной на интеграцию в единое информационное пространство региона. Наряду с известными методиками оценки социальной безопасности в рамках подсистемы предполагается реализация функций формирования оценок на основе анализа слабоструктурированной информации, извлекаемой из неформальных источников, к которым, в частности, относятся социальные сети. Функции сбора, анализа и агрегации информации, а также идентификации ситуаций осуществляются специализированными программными агентами.
17
Разработан прототип полимодельного комплекса для проведения вычислительных экспериментов в области исследования региональных социальноэкономических систем, позволяющих выявить и оценить потенциальные угрозы безопасности развития региона. Полимодельный комплекс ориентирован на исследование процессов управления в таких сферах региональной безопасности, как экономическая, кадровая, экологическая и социальная безопасность. Комплекс состоит из набора имитационных моделей и вспомогательного программного обеспечения, осуществляющего функции связующего звена для организации взаимодействия между остальными компонентами. Набор компьютерных моделей реализован с применением концептуального и агентного моделирования, метода системной динамики и технологии концептуальных шаблонов. Каждая разработанная модель имитирует процессы, протекающие в различных компонентах региональных систем, и при моделировании отдельных отраслей региона учитывает специфику АЗ РФ. Полимодельный комплекс дает возможность производить имитацию процессов, протекающих в различных региональных подсистемах, влияющих на глобальную безопасность развития региона. На основе моделирования осуществляется прогнозирование возможных последствий изменения параметров социально-экономической обстановки, как в региональной социально-экономической системе в целом, так и в ее подсистемах.
Проведена адаптация алгоритмов логического вывода на концептуальной модели для автоматизированного синтеза спецификаций проблемно-ориентированных виртуальных организационных структур в области обеспечения региональной безопасности [24]. С учетом развития информационно-коммуникационных технологий определено, что адекватным подходом к управлению комплексной безопасностью региональных социально-экономических систем является использование сетецентрической информационной инфраструктуры региональной безопасности, реализуемой на базе распределенной информационно-аналитической среды региона. Разработаны метод и технология формирования в рамках региональной информационно-аналитической среды потенциально эффективных проблемно-ориентированных организационных структур, способных обеспечивать решение различных классов задач управления региональной безопасностью [25, 26]. Метод основан на использовании формализованной концептуальной модели мультиагентной информационноаналитической среды поддержки управления региональной безопасностью [8]. Виртуальные организационные структуры безопасности представляют собой коалиции когнитивных агентов и наборы информационных ресурсов, сформированные на основе анализа концептуальных описаний кризисных ситуаций и ассоциированных с ними задач. Предложенное решение позволяет учитывать специфику возникающих кризисных ситуаций, необхо-димость согласованности целей взаимодействия входящих в состав формируемой структуры субъектов безопасности, а также временных и ресурсных ограничений. Концептуальная модель реализуется в виде прикладной онтологии региональной безопасности. Онтология реализована в терминах языка онтологического моделирования OWL. Так как разработка агентов системы выполняется на базе платформы JADE, то для обеспечения возможности работы агентов с прикладными онтологиями использована специальная библиотека
18
AgentOWL. Она обеспечивает создание и использование RDF/OWL онтологий в качестве моделей знаний агентов.
III этап (2014 г.)
В ходе третьего этапа исследований разработан тренажерно-моделирующий комплекс [19] для поддержки принятия решений по предупреждению и отражению типовых угроз безопасности развития регионального промышленно-природного кластера. В рамках комплекса интегрированы разнородные модели: региональной системы управления безопасностью, инфраструктуры региона, многокритериальных задач оптимизации действий сил и средств локализации и ликвидации кризисных ситуаций.
Предложен комбинированный метод обучения агентов, основанный на интеграции модели коллективного обучения с подкреплением (Q-leaming) и системно-динамических моделей внешней среды, реализуемых в имитационном аппарате агентов [26]. Реализация метода обеспечивает расширение адаптационных возможностей и повышение интеллектуальности, автономности и результативности деятельности программных агентов при решении задач пользователей в условиях неполных и/или слабоструктурированных исходных данных. Обучение позволяет снизить количество неэффективных альтернатив в процессе автоматизированного синтеза спецификаций мультиагентных моделей организационных структур обеспечения безопасности, а также обеспечивает автоматическое ранжирование и последовательное обнаружение сервисов агентов и информационных ресурсов с максимально возможной степенью соответствия решаемой задаче управления безопасностью.
Разработаны архитектура и комплекс активных программных компонентов мультиагентной информационно-аналитической среды поддержки управления региональной безопасностью с унифицированной точкой доступа на основе веб-технологий [27, 28]. Программные компоненты среды обеспечивают динамический синтез иерархического виртуального пространства региона, как интеграционной площадки проблемно-ориентированных коалиционных мультиагентных структур информационной поддержки регионального управления и кризисного реагирования.
Разработана интегрированная модель реконфигурации структуры виртуального центра управления безопасностью регионов АЗ РФ [29]. Модель обеспечивает оперативное формирование единого информационного поля для принятия решений, а также выработку рекомендаций по согласованным организационной и функциональной структурам управления для типовых региональных чрезвычайных и кризисных ситуаций. Модель предназначена для проектирования и отработки функционирования систем управления безопасностью арктических регионов Российской Федерации.
Разработан программный комплекс, обеспечивающий реализацию и функционирование виртуального когнитивного центра управления региональной безопасностью в кризисных ситуациях в виде специализированного облачного сервиса на базе IaaS-архитектуры и агентных технологий [30]. Данное технологическое решение обеспечивает основу для решения на основе моделирования следующих задач: стратегическое планирование и прогнозирование рискоустойчивого развития региональных социально-экономических
19
систем, синтез спецификаций взаимодействия субъектов управления для обеспечения различных видов региональной деятельности.
Создан исследовательский прототип профессиональной социальной сети BarentsNet [31], представляющей собой виртуальную интеграционную площадку для экспертов в области управления инновационным и безопасным развитием арктических регионов. Разработаны функциональная структура и базовые компоненты онлайновых автоматизированных рабочих мест («личных кабинетов») субъектов проблемно-ориентированной деятельности АЗ РФ в составе веб-ориентированной информационной системы BarentsNet. Система предназначена для интеграции заинтересованных бизнес-сообществ, государственных структур и экспертов из различных предметных областей в рамках виртуального пространства региона с целью повышения эффективности их информационного взаимодействия при совместном решении конкретных задач управления региональной безопасностью.
Таким образом, мультиагентная виртуальная среда региональной безопасности [28] представлена следующими практическими разработками:
- распределенная агентная платформа, представляющая собой совокупность функциональных модулей, обеспечивающих создание и использование полимодельных комплексов поддержки управления безопасностью, а также компонентов среды исполнения и поддержки функционирования когнитивных программных агентов в распределенной информационной среде;
- сетецентрическая мультиагентная система информационно-аналитической поддержки управления региональной безопасностью, представляющая собой множество взаимосвязанных активных программных компонентов, реализующих функции разнотипных агентов субъектов безопасности в виртуальной среде, общесистемных сервисов (сервис онтологий, сервис центров сертификации агентов и др.), а также специализированных системных служб, обеспечивающих интеграцию в систему разнородных информационных ресурсов;
- интегрированный Арктический Интернет-портала RU-Arctic.net, представляющий собой мультипредметный веб-ресурс и обеспечивающий унифицированную точку доступа к ресурсам мультиагентной виртуальной среды региональной безопасности на основе веб-технологий;
- комплекс системно-динамических шаблонов и синтезируемых на их основе проблемно-ориентированных имитационных моделей анализа и прогнозирования различных показателей региональной безопасности, образующих полимодельные комплексы, используемые агентами системы в качестве аналитических ресурсов в составе своего имитационного аппарата для реализации прогностических функций и пополнения знаний о среде функционирования;
- онтология региональной безопасности, построенная на основе разработанной формальной концептуальной модели интегрированной информационной среды поддержки управления глобальной безопасностью региона и используемая в качестве базы знаний агентов системы;
- виртуальная интеграционная площадка BarentsNet (www.barents-online.net), представляющая собой социальную сеть профессиональных коммуникаций для экспертов в области управления развитием арктических регионов;
20
- прототип виртуального когнитивного центра управления региональной безопасностью в кризисных ситуациях, реализованный в виде специализированного облачного сервиса на базе SaaS-архитектуры.
В совокупности, данные практические разработки обеспечивают построение расширяемой многофункциональной виртуальной сетецентрической среды, образующей целостную информационно-аналитическую инфраструктуру безопасности региона на базе существующих и вновь создаваемых проблемноориентированных информационных ресурсов и систем, а также средств автоматизированной обработки содержащихся в них данных.
Характеристика полученных результатов
Предложена оригинальная структура единого формального представления целостной сетецентрической информационно-аналитической среды для задач управления безопасностью региональных социально-экономических систем. Данное представление реализуется в виде концептуальной модели мультиагентной среды поддержки управления безопасностью. Модель обеспечивает основу для автоматизации анализа и организации имитационного моделирования типовых процессов управления безопасностью. Отличительной особенностью разработанной концептуальной модели является формальное представление в терминах модели классификации угроз безопасности разнородных объектов и процессов в региональных социально-экономических системах. Формализация обеспечивает возможность комплексного ситуационного анализа функционирования контролируемых объектов и процессов безопасности и последующего синтеза на концептуальной модели согласованных по времени, ресурсам и специфики ситуации виртуальных организационных структур управления данными объектами и процессами.
Создан оригинальный комплекс (библиотека) системно-динамических шаблонов для задач управления безопасностью регионального развития. Наличие библиотеки шаблонов обеспечивает возможность оперативного создания имитационных моделей для поддержки принятия решений в области управления комплексной безопасностью развития арктических регионов.
Новизной обладает архитектура распределенной проблемно-ориентированной агентной платформы поддержки создания и использования полимодельных комплексов для задач управления региональной безопасностью. Компонентный состав разрабатываемой агентной платформы обеспечивает расширенные функциональные возможности по сравнению с существующими платформами мультиагентных распределенных информационных систем. Платформа обеспечивает реализацию аналитических и прогностических функций когнитивными агентами в мультиагентной виртуальной среде.
Разработанная в рамках проекта информационная технология обеспечения защищенности типовых критически важных объектов Арктической зоны РФ, по сравнению с аналогичными разработками, поддерживает классификацию и идентификацию объектов, оценку уровня их защищенности. Это позволяет повысить оперативность и обоснованность формирования комплекса согласованных мероприятий организационного, методического, инженерного,
21
экономического, социального и иного характера, направленных на повышение уровня промышленно-экологической безопасности.
Создан полимодельный комплекс для проведения вычислительных экспериментов в области исследования безопасности социально-экономических систем Арктической зоны РФ. Модели, включенные в комплекс, обеспечивают учет региональных особенностей рассматриваемых территорий и позволяют проводить совместный анализ влияния факторов различной природы на безопасность развития региона.
Предложена оригинальная структура иерархической модели развертывания деятельности когнитивных агентов для моделирования целенаправленного поведения разнородных субъектов региональной безопасности в проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных средах. Использование модели на начальных этапах проектирования проблемноориентированных мультиагентных систем позволяет повысить степень адекватности функциональной организации создаваемых когнитивных агентов (виртуальных деятелей) для различных категорий пользователей с учетом их поведенческих особенностей и моделей взаимодействия. Средства реализации предложенной модели для ролевой имитации целенаправленного поведения субъектов проблемно-ориентированной деятельности в мультиагентных виртуальных системах обеспечивают синергетический эффект и получение результатов, обладающих высоким уровнем когнитивности.
Метод автоматизированного синтеза виртуальных организационных структур для задач управления региональной безопасностью основан на совместном анализе семантического описания решаемых задач, информационных ресурсов и сервисов агентов. Метод обеспечивает формирование коалиций агентов, адекватных решаемым задачам управления безопасностью, что повышает эффективность информационного обеспечения деятельности субъектов регионального управления и оперативность принятия решений на этапе планирования совместных антикризисных мероприятий. Метод позволяет синтезировать мультиагентные модели организационных структур обеспечения безопасности, в том числе, в условиях использования слабоструктурированных неполных исходных данных с учетом пространственно-временных и ресурсных ограничений для конкретного класса кризисных ситуаций.
Когнитивный подход к построению региональных распределенных информационных систем на основе сетецентрических мультиагентных виртуальных пространств, позволяет реализовать разработанную технологию динамического формирования и конфигурирования проблемно-ориентированных коалиционных мультиагентных систем для информационной поддержки межведомственной деятельности в сфере управления комплексной безопасностью региона. Новизна технологии заключается в применении модели самоорганизации на основе градиентных вычислительных полей для реализации процедур формирования коалиций агентов и ассоциированных с ними информационных ресурсов. Технология обеспечивает повышение автономности и интероперабельности интегрируемых разнородных программных компонентов ведомственных информационных систем. Технология ориентирована на открытые сети агентов и обеспечивает основу для формирования расширяемой многофункциональной сетецентрической информационно-аналитической среды поддержки управления региональной безопасностью.
22
Полученные результаты расширяют сферу применения современных мультиагентных технологий [32] и обеспечивают решение широкого круга задач, связанных с информационной поддержкой управления региональным развитием, а также организационными и техническими системами различной степени сложности и масштаба.
Результаты, полученные в ходе реализации проекта, соответствуют мировым тенденциям развития когнитивных информационных технологий и средств компьютерного моделирования, ориентированных на информационно -аналитическую поддержку управления безопасностью функционирования сложных динамических систем.
Заключение
В ходе исследований по проекту сформулирована и решена научнотехническая проблема разработки методов и средств информационной поддержки управления комплексной безопасностью развития социальноэкономических систем регионального масштаба в Арктической зоне Российской Федерации. Решение проблемы базируется на созданных когнитивных моделях, методах и технологиях виртуализации проблемно-ориентированной деятельности субъектов регионального управления, что обеспечивает формирование проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных пространств управления региональной безопасностью. Результаты исследований и разработок обеспечили возможность моделирования целенаправленной деятельности субъектов безопасности и формирования проблемно-ориентированных виртуальных пространств, как ситуационно-коалиционных мультиагентных систем поддержки управления безопасностью.
Возможности мультиагентной информационно-аналитической среды поддержки управления региональной безопасностью позволяют проиграть и оценить возможные варианты ситуаций на треке развития региона с учетом внутренней региональной динамики и влияния внешних факторов, что обеспечивает возможность решения задач синтеза траекторий безопасного развития региональных социально-экономических систем и позволяет проводить выработку рекомендаций по обеспечению региональной безопасности в меняющихся условиях.
Синтезируемое на основе разработанных методов и технологий виртуальное пространство региона - следующий этап на пути создания компьютерных тренажеров для региональных и муниципальных государственных служащих, менеджеров, системных аналитиков, военных, программных тренажерно-моделирующих комплексов, предназначенных для интеллектуальной поддержки принятия решений по управлению рискоустойчивым региональным развитием.
Литература
1. Маслобоев, А.В. Обеспечение глобальной безопасности регионального развития (постановка задачи) / А.В. Маслобоев, В.А. Путилов // Труды Института системного анализа РАН: Прикладные проблемы управления макросистемами.- М.: КРАСАНД, 2010.- Т.59. - С.29-44.
23
2. Маслобоев, А.В. Проблемы информационной поддержки управления глобальной безопасностью Арктической зоны России / А.В. Маслобоев // Геополитика и безопасность. - 2013. - №3(23). - С.60-71.
3. Олейник, А.Г. Проблемы и задачи формирования единого информационного пространства Арктической зоны РФ / А.Г. Олейник, А.М. Федоров // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии.- 2/2011(5).
- С.19-28.
4. Маслобоев, А.В. Интегрированная информационно-аналитическая среда поддержки управления региональной безопасностью: этапы и технологии реализации / А.В. Маслобоев, В.А. Путилов // Труды Института системного анализа РАН.- 2012.- Т.62.- №3.- С.61-73.
5. Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу.- Режим доступа: http://www.scrf.gov.ru/documents/15/98.html, свободный.
6. Стратегия национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года.-Режим доступа: http://www.scrf.gov.ru/documents/99.html, свободный.
7. Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года.- Режим доступа: http://government.ru/news/432, свободный.
8. Маслобоев, А.В. Концептуальная модель интегрированной информационной среды поддержки управления безопасностью развития региона / А.В. Маслобоев, В.А. Путилов // Вестник МГТУ: Труды Мурманского государственного технического университета.- 2011.- Т.14.- №4.- С. 842-853.
9. Маслобоев, А.В. Гибридная архитектура интеллектуального агента с имитационным аппаратом / А.В. Маслобоев // Вестник МГТУ: Труды Мурманского государственного технического университета.- 2009.- Т.12, №1. - С.113-125.
10. Маслобоев, А.В. Состав и структура системно-динамической модели глобальной безопасности арктического региона / А.В. Маслобоев // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2013.- №4(34).- С.43-53.
11. Маслобоев, А.В. Комплекс моделей и инструментальных средств информационно-аналитической поддержки управления региональной безопасностью / А.В. Маслобоев, А.В. Горохов // Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике: сборник статей. XIII Международной научно-практич. конф., 24-25 мая 2012 г., Санкт-Петербург, Россия / Под ред. А.П. Кудинова. - СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2012.- Т.2., Ч.1.- С.74-78.
12. Быстров, В.В. Программный комплекс автоматизации синтеза имитационных моделей сложных динамических систем / В.В. Быстров, А.В. Маслобоев, А.В. Горохов // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.
- Рег. № 17079 от 12.05.2011 г. (ОФЭРНиО); гос. рег. № 50201150635 от 12.05.2011 г. (ОФАП)
13. Маслобоев, А.В. Проблемно-ориентированная агентная платформа для создания полимодельных комплексов поддержки управления безопасностью региона /А.В. Маслобоев, А.В. Горохов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.- 2012.- №2(78).- С.60-65.
24
14. Богатиков, В.Н. Синтез структур оценки состояния надежности социальноэкономической системы Арктического региона / В.Н. Богатиков, И.Е. Кириллов, И.Н. Морозов // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып. 3. - 4/2012(11).- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2012. - С.24-30.
15. Богатиков, В.Н. Подход к оценке состояний социально-экономических систем для целей управления их надежностью (на примере Арктического региона) / В.Н. Богатиков, И.Е. Кириллов, И.Н. Морозов // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып. 3. - 4/2012(11).
- Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2012. - С.31-39.
16. Маслобоев, А.В. Иерархическая модель развертывания деятельности когнитивных агентов в проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных системах / А.В. Маслобоев // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы XIII Международной научно-методич. конф., 7-8 февраля 2013г., г. Воронеж.- Воронеж: ВГУ, 2013.- Т.2.- С.304-306.
17. Яковлев, С.Ю. Базовая структурная модель опасностей промышленноприродного комплекса / С.Ю. Яковлев // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып. 3. - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН.
- 4/2012(11). - 2012. - С.150-157.
18. Яковлев, С.Ю. Современные тенденции в управлении безопасностью сложных систем / С.Ю. Яковлев // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып. 4. -4/2013(17). - Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2013. - С.29-39.
19. Яковлев, С.Ю. Основы создания системы комплексной безопасности для защиты арктической зоны российской федерации от чрезвычайных ситуаций /С.Ю. Яковлев // Вестник КНЦ.- 3/2014.-Апатиты:Изд-во КНЦ РАН.- С.84-91.
20. Яковлев, С.Ю. Информационные технологии обеспечения безопасности развития промышленно-природных комплексов арктических регионов РФ / С.Ю. Яковлев // Север и рынок: формирование экономического порядка.
- №3(40).- 2014.- С.188-190.
21. Богатиков, В.Н. Создание распределенных моделей с самонастройкой на основе агентных технологий и нейросетевого аппарата / В.Н. Богатиков, И.Е. Кириллов, И.Н. Морозов // Materialy IX mezinarodrn vedecko - prakticka konference «Modern! vymozenosti vedy - 2013». - Dil 71. modern! informacni technologie : Praha. Publishing House «Education and Science». - St.26-36.
22. Маслобоев, А.В. Методика комплексной оценки безопасности региональных социально-экономических систем / А.В. Маслобоев, В.Н. В.Н. Богатиков // Наука и Образование - 2013: материалы Международной научно-практ. конф., 4-10 марта 2013г., г. Мурманск. - Мурманск: МГТУ, 2013.- С.455-459.
23. Ломов, П.А. Формальная интеграция знаний для решения задач устойчивого развития территорий / П.А. Ломов, А.Г. Олейник // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов: материалы VII Международной научно-практ. конф., г. Днепропетровск, Украина, 8-11 октября 2013 г. /под ред. А.Г. Шапарь. - Днепропетровск: Монолит, 2013. - С.16-20.
25
24. Горохов, А.В. Технология формирования спецификаций среды имитационного моделирования задач управления / А.В. Горохов, А.В. Маслобоев, А.Г. Олейник // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокомму-никационные системы-2013. - №3(19). - C.55-70.
25. Маслобоев, А.В. Метод автоматизированного синтеза виртуальных организационных структур для задач управления региональной безопасностью / А.В. Маслобоев // Программные продукты и системы.- 2013.- №4(104).- С.141-149.
26. Маслобоев, А.В. Когнитивная технология динамического формирования и конфигурирования проблемно-ориентированных мультиагентных виртуальных пространств / А.В. Маслобоев // Вестник МГТУ: Труды Мурманского государственного технического университета.- 2013.- Т.16.- №4.- Мурманск: МГТУ, 2013.- С.748-761.
27. Маслобоев, А.В. Архитектура и технологии формирования интегрированной информационной среды поддержки управления безопасностью развития региона / А.В. Маслобоев, М.Г. Шишаев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.- 2011.- №6(76).- С.98-104.
28. Маслобоев, А.В. Мультиагентная информационно-аналитическая среда поддержки управления региональной безопасностью "Безопасный Виртуальный Регион" / А.В. Маслобоев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.- 2013.- №4(86).- С.128-138.
29. Яковлев, С.Ю. Прикладные разработки ИИММ КНЦ РАН по информационной поддержке обеспечения безопасности региональных промышленно-природных комплексов / С.Ю. Яковлев // История науки и техники.
- 2014. - №1. - С.107-123.
30. Маслобоев, А.В. Виртуальные когнитивные центры как интеллектуальные системы для информационной поддержки управления региональной безопасностью / А.В. Маслобоев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.- 2014.- №2(90).- С.167-170.
31. Маслобоев, А.В. Разработка социальной сети BarentsNet для задач
информационного обеспечения безопасности и инновационного развития арктических регионов / А.В. Маслобоев // Вестник МГТУ: Труды
Мурманского государственного технического университета.- 2014.- Т.17.
- №3.- С.523-530.
32. Путилов, В.А. Мультиагентный подход к виртуализации проблемноориентированной деятельности субъектов управления региональной безопасностью в Арктике / В.А. Путилов, А.В. Маслобоев // Труды Кольского научного центра РАН. Информационные технологии. - Вып. 3. - 4/2012(11). -Апатиты:Изд-во КНЦ РАН, 2012. - С.10-23.
Сведения об авторах
Маслобоев Андрей Владимирович - к.т.н., старший научный сотрудник,
е-mail: [email protected]
Andrey V. Masloboev - Cand. of Sci (Tech), senior research fellow
Путилов Владимир Александрович - д.т.н., профессор, директор,
е-mail: putilov @iimm. ru
Vladimir A. Putilov - Dr. of Sci (Tech), Prof., director
26
