СЕТЕЦЕНТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В АДАПТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 004.89

doi:10.18720/SPBPU/2/id20-131

Потапова Анастасия Викторовна,

аспирант

СЕТЕЦЕНТРИЧЕСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В АДАПТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,

Санкт-Петербург, Россия, anastasia589@mail.ru

Аннотация. Статья рассматривает возможности реализации сетецентрического управления при разработке адаптивных информационных систем на основе миварного подхода. Рассмотрены основы принципа сетецентрического управления. Раскрыты основные понятия миварного информационного пространства. Описаны метаданные предполагаемой информационной системы, которые отвечают принципам миварного подхода и позволяют описать отношения между вещами (объектами) и их свойствами. Построена схема сетецентрического управления в проектируемой адаптивной системе. Описаны уровни управления и связи между объектами различного уровня.

Ключевые слова: сетецентрическое управление, миварный подход, адаптивные системы, интеллектуальные системы, распределенное управление.

Anastasiya V. Potapova,

postgraduate

IMPLEMENTATION OF NETWORK-CENTRIC MANAGEMENT IN ADAPTIVE INFORMATION SYSTEMS

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia, anastasia589@mail.ru

Abstract. The paper considers the possibilities of implementing network-centric management in the development of adaptive information systems based on the mivar approach. The theoretical foundations of network-centric management are considered. The basic concepts of the mivar information space are revealed. The metadata of the proposed information system is described, which corresponds to the principles of the mivar approach and allows describing the relations between things (objects) and their properties. The scheme of network-centric control in the designed adaptive system is constructed. The levels of control and communication between objects of different levels are described.

Keywords: network-centric management, mivar approach, adaptive systems, intelligent systems, distributed management.

Введение

В настоящее время актуальными становятся проблемы, связанные с разработкой адаптивных высокоинтеллектуальных информационных систем (ИС), способных настраиваться на любую предметную область в зависимости от нужд системного аналитика.

Такого рода задачи возникают особенно на уровне управления государством при принятии решений о развитии территориальных образований, об оказании услуг населению по обоснованию прав на наследство, материнский капитал, социальные пособия и т. п. В связи с этим особую значимость приобретают способы разработки подобных систем.

В настоящее время, как правило, разрабатываются узко специализированные ИС для информационного обеспечения конкретной задачи, выполнения конкретных функций в системе управления. Они имеют склонность устаревать, негибки к изменениям требований пользователя, заказчика. Подобный подход предполагает разработку отдельной системы под каждый новый проект, создания временно существующих информационных систем (ВИС) [1], собирающих информацию из различных баз данных и сопоставляющих ее для обеспечения достоверности, необходимой при принятии решений.

Для определенного вида задач возможна разработка адаптивной системы, что позволяет перейти от проектных решений к продуктовым. Такая информационная система не потребует перепрограммирования или разработки новой системы в условиях меняющихся требований заказчика. Более того, подобные системы способны к самообучению, настройке пользовательского интерфейса под разные задачи, использованию встроенных экспертных систем.

При создании ВИС или адаптивных ИС полезно исследовать возможность применения сетецентрического подхода к управлению разработкой таких систем.

1. Основные понятия сетецентрического управления

1.1. Истоки возникновения термина

Сетецентрический принцип и сетецентрическая система управления существовали с самого начала зарождения армии для повышения скорости обмена информацией между подразделениями, принимающими участие в боевых операциях. С конца прошлого века сетецентрический принцип становится основой развития систем управления в вооруженных силах ведущих держав мира, являлся одним из основных в военной реформе, которую Пентагон проводит с 1990-х годов.

Термины «сетецентрическая система» и «сетецентрическая структура» (англ. Network centric system, Network centric structure) в широком смысле впервые появились в публикациях в 1990-е гг. [3 -5 и др.] До

этого подобные термины преимущественно использовались в информатике при описании архитектур вычислительных сетей [6].

С самого начала создания автоматизированных систем основной технологией являлся системно-целевой подход, основанный на иерархическом или центрическом управление. При этом первоначально главной технологией была структура с единым главным центром управления. Затем появились схемы управления с дополнительными центрами управления. Такое управление называют распределенным.

Термин распределенная система известен давно и применяется в различных областях. В частности, Э. Таненбаум [7] определяет распределенную систему как набор независимых компьютеров, представляющийся их пользователям единой объединенной системой. При этом указываются наиболее важные характеристики таких систем:

- от пользователей скрыты различия между компьютерами и способы связи между ними;

- пользователи и приложения единообразно работают в распределенных системах, независимо от того, где и когда происходит их взаимодействие;

- они должны относительно легко поддаваться расширению или масштабированию;

- распределенные системы обычно существуют постоянно, однако некоторые их части могут временно выходить из строя. Пользователи и приложения не должны уведомляться о том, что эти части заменены или починены, или что добавлены новые части для поддержки дополнительных пользователей или приложений.

Расширяя данное представление, можно определить распределенную систему следующим образом.

Распределенная система - совокупность автономных, оснащенных компьютерным интеллектом объектов, объединенных общей глобальной сетью и способных действовать как самостоятельно, так и в группе для выполнения общей целевой функции.

Современное распределенное управление включает цифровые, информационные и когнитивные технологии [7]. В соответствии с технологиями используют модели управления. Наиболее развитым видом распределенного управления является субсидиарное или сетецентрическое управление [4 - 6].

1.2. Сетецентрическая модель

Классическая сетецентрическая система управления имеет специальную многослойную структуру. Принципиальным в модели является организация горизонтальных связей с их замыканием и организацией

концентрических уровней управления с разными правами выбора и степенью обеспеченности ресурсами.

Сетецентрическое управление можно рассматривать как модификацию матричного управления, в котором уровни матрицы замкнуты в концентрические окружности. Уровней управления может быть неограниченное количество. Существенное отличие данной схемы от иерархической и матричной схемы проявляется в наличии на нижнем операционном уровне управления дополнительных связей между объектами управления.

Таким образом, использование сетецентрической концепции означает переход от многоуровневой пирамидальной иерархии к структуре распределенной сети.

Реализация такой модели требует единого информационного пространства предприятия (ЕИПП) и применения сетевых технологий. Преимущества модели - в сокращении времени на согласование принимаемых решений между центром управления и последующими уровнями принятия решений.

Для реализации принципа сетеценртричекого управления представляется полезным исследовать возможности применения миварного подхода.

2. Миварный подход и миварное информационное пространство

2.1. Истоки термина

Мивар (Многомерная Информационная Варьирующаяся Адаптивная Реальность) - наименьший структурный элемент дискретного информационного пространства. Акроним МИВАР введен в 1993 году О.О. Варламовым, д-ром техн. наук, профессором Московского автодорожного института (МАДИ) [8], как технический для обозначения «семантической единицы» при математическом моделировании [9, 10].

Акроним не является общепризнанным. Ряд представителей Российской ассоциации искусственного интеллекта (РАИИ) — например, В.И. Городецкий д-р техн. наук, профессор СПИИРАН и В.Н. Вагин, д-р техн. наук профессор Московского энергетического института - Государственного университета (МЭИ) — полагают, что термин некорректный, и многократно рекомендовали его изобретателю пользоваться об-щеупотребимой терминологией.

В то же время акроним помогает кратко отразить концепцию его автора, которая представляется полезной для реализации принципа сете-центрического управления в адаптивных системах.

В качестве основы миварного метода использован категориальный базис <вещи, свойства, отношения> концепции Параметрической общей теории систем (ПОТС) А.И. Уёмова, предложенной в 1960-е гг. [11 - 13].

Предложенные О.О. Варламовым новые эволюционные динамические многомерные объектно-системные структуры унифицированного представления данных и правил названы «миварными». Суть миварного представления данных в том, что с использованием понятий <вещь, свойство, отношение> формируется информационное пространство путём определения основных осей и фиксацией основных объектов и их отношений. Названия объектов и отношений в некотором порядке фиксируются на осях, а на соответствующих пересечениям точках этого пространства, которые называются миварами, записываются конкретные значения свойств и отношений объектов. Именно миварное информационное пространство создает фундаментальную возможность реализации самообучения и обеспечивает реальную эволюционность синтеза компьютерных конфигураций интеллектуальных систем.

Обобщенно говоря, миварная сеть обеспечивает формализацию и представление человеческих знаний в виде связанного многомерного пространства.

С формальной точки зрения, миварный подход - это математический аппарат для разработки систем искусственного интеллекта, созданный путем комплексирования продукционного подхода и «сетей Петри».

Предлагается исследовать возможности применения миварного подхода при создании адаптивных систем для информационного обеспечения принятия решений.

2.2. Особенности миварного информационного пространства

Для создания адаптивных систем необходимо решить несколько важных проблем. Прежде всего, это проблема создания эволюционных (адаптивных) баз данных. Затем - создание эволюционных автоматизированных систем обработки информации (АСОИ). Такие АСОИ представляется возможным создать путем решения проблемы адаптивного синтеза конфигураций компьютерных систем, на основе создания мивар-ного эволюционного многомерного динамического объектно-ориентированного информационного пространства унифицированного представления данных и правил или, для краткости, просто: миварного информационного пространства.

Действительно эволюционной (адаптивной) базой данных может быть только база данных с изменяемой структурой представления данных.

Принято различать два типа представления данных: структурированные и неструктурированные.

К сильно структурированным моделям можно отнести традиционные реляционные, сетевые, иерархические и т.п. модели, вплоть до модели данных «сущность-связь».

К неструктурированным или, точнее, слабоструктурированным моделям можно отнести гипертекстовое представление данных. В то же время, объектно-ориентированное представление данных в такой классификации находится в средней части такой «шкалы» и обладает возможностью изменения структур представления данных путем задания новых объектов.

Если принято различать два типа представления данных: структурированные и неструктурированные, - то миварный подход и эволюционные (адаптивные) базы данных можно отнести к новому типу представления данных с изменяемой структурой. Такая структура обладает возможностью эволюционного наращивания, а при необходимости и кардинального изменения структуры представления данных, даже в условиях непрерывности функционирования системы. Если говорить очень кратко, то миварное представление данных позволяет явно выделять структуру или системность объектов, например, вводя в качестве оси измерение уровня системности объекта в терминах: метасистема ^ система ^ подсистема, что «поглощает» объектно-ориентированные модели данных и создает реальные предпосылки для осуществления ассоциативного поиска и выявления новых данных и отношений.

Таким образом, именно миварное информационное пространство создает фундаментальную возможность реализации самообучения для систем искусственного интеллекта и обеспечивает реальную эволюцион-ность, адаптивность синтеза компьютерных конфигураций интеллектуальных систем.

3. Предпосылки для разработки адаптивной информационной системы в миварном информационном пространстве

3.1. Концептуальные ограничения

Три основных философских понятия, категории: вещь, свойство, отношение - позволяют отобразить мир как бесконечное многообразие материальных реальностей в их возникновении, пребывании, изменении и гибели.

Таким образом, любая (всякая) определенная материальная реальность, существующая как нераздельность (цельность) многообразного -есть вещь. Тогда, вещью будет любой фрагмент материального мира.

В контексте построения адаптивной информационной системы мы используем вместо термина «вещь», термин «объект». С философской точки зрения автора нет объектов, свойств и даже отношений, а есть непрерывные (и взаимодействующие) процессы, распределенные как в пространстве, так и во времени. Просто удобнее использовать на практике статистическое понятие «объект».

Согласно Варламову О.О., только вещи обладают самостоятельным бытием ... как нет и самих свойств, и отношений вне и помимо вещей [6]. С этим утверждением, особенно в контексте свойств, можно не согласиться. Любое свойство может быть объектом при изменении фокуса его изучения. Так, например, цвет - это свойство, характеризующее объект, которое может иметь различные значения (красный, синий и т.д.). Но это, также, объект, который имеет свои свойства, такие как цветовая палитра, насыщенность и т. д.

Таким образом, в контексте изучаемой предметной области объекты и свойства могут обладать самостоятельным бытием, а отношения - изменяемая переменная. Тем самым мы перешли к понятию «мивара».

«Мивар» - это наименьший элемент (или наименьшая адресуемая точка) трехмерного дискретного информационного пространства <вещь, свойство, отношение> [9, 10].

3.2. Требования к адаптивной системе

Под адаптивными понимают системы, в которых заложены возможности модификации алгоритмов их функционирования в ответ на действия пользователей или изменения характеристик внешней среды. Адаптивные информационные системы (далее ИС) особенно актуальны, если велико количество пользователей системы, отличающихся целями и опытом. При этом объем контента системы позволяет варьировать способы представления информации

При использовании адаптивной ИС предполагается, что ИС может обслуживать любую (заранее не определенную) предметную область. Т.е. адаптивная ИС должна предоставлять гибкий инструментарий для:

- настройки на соответствующую предметную область;

- обработки соответствующих данных в контексте соответствующих задач.

При создании адаптивной ИС одной из существенно значимых проблем является создание адаптивного (и объектно-ориентированного на предметную область) GUI приемлемого «качества».

Какой должна быть система:

- объектно-ориентированной (на предметную область);

- без концептуального ограничения на количество обслуживаемых предметных областей;

- адаптивная;

- ассоциативная;

- событийно-управляемая;

- иерархически-распределенная;

- иметь мощный поисковый механизм;

- поддерживать миграцию данных и т.д.

Не следует путать термин «объектно-ориентированность», как методологию программирования, c термином «объектно-ориентированность» в контексте типовой информационной модели для предметной области.

Ассоциативность предполагает, что ИС должна иметь встроенный механизм, который позволял бы человеку выстраивать такую версион-ность и между различными разрозненными версиями ассоциативные связи в такой мере, в какой сам человек считает необходимым. Причем с возможностью их адаптации в процессе эволюции.

Событийно-управляемые - это системы, управление которыми основано на внешних событиях. В данном контексте под событием подразумевается не только бинарный сигнал типа "да-нет". Здесь сигнал может принимать некоторый диапазон значений. Различие между событием и обычными входными данными заключается в том, что планирование события выходит за рамки управления процессом, обрабатывающим это событие. Для обработки события подсистеме необходим доступ к информации состояния, однако такая информация обычно не определяется потоком управления.

Иерархически-распределенная ИС предполагает формирование информационных моделей (включая как информационные структуры, так и алгоритмы их обслуживания) по принципу "сверху-вниз".

«Сверху-вниз означает, что модель, сформированная на каком-либо узле «спускается» вниз на следующий уровень иерархии. При этом статус сформированных информационных моделей может быть следующим:

- «глобальная модель» - означает, что свойства этой модели могут быть изменены или отменены на уровне любых других узлов;

- «наследуемая модель» - означает, что на любом следующем узле она может быть дополнена (но не отменена);

- «рекомендуемая модель» - означает, что на любом следующем узле она может быть заменена на другую или отменена вообще.

Формирование запросов на выборку и доставку информации по иерархической лестнице «снизу - вверх».

Миграция данных - процесс управляемого перемещения данных между информационными базами (вне зависимости, в том числе, от принадлежности их к узлу) с целью синхронизации данных.

3.3. Метаданные разрабатываемой информационной системы

Метаданные ИС (далее Система) = «Множество типов объектов» + «Множество свойств» + «Перечень видов свойств»

Множество типов объектов - перечень всех разновидностей объектов, «известных» Системе.

Если появляются объекты нового типа, которые будут использоваться в дальнейшем, то новый тип должен быть сначала интерактивно внесен конечным пользователем в «множество типов» по определенным правилам. Количество используемых типов объектов концептуально не ограничено.

Применительно к миварному пространству типы объектов, это (в частности) одна из составляющих такого понятия, как «отношение между объектами».

Основное назначение множества типов объектов (в контексте объектной модели предметной области):

1. Строгая и однозначная классификация объектов по типовому признаку.

2. Хранение данных об информационной модели объектов данного типа.

3. Хранение скрипта, предназначенного для автоматического вычисления наименований объектов данного типа.

4. Системная поддержка одного из методов, реализующих механизм ссылочности объектов.

5. Хранение скрипта для выбора объектов данного типа (при использовании механизма ссылочности, реализованного на уровне ссылочных объектов) с применением механизма предметных указателей.

Применительно к миварному пространству механизм ссылочности, это (в частности) одна из составляющих такого понятия, как «отношение между объектами».

Каждый тип объекта имеет дополнительные атрибуты:

- признак абстрактности;

- признак местоположения в информационной базе (объект или объект-справочник);

- тип объектов, на который могут ссылаться объекты данного типа при использовании механизма ссылочных объектов.

Реальные объекты предметной области могут проявлять (для наблюдателя) свои свойства в контексте других объектов, а также в зависимости от условий исследования (наблюдения), воздействия и представления - по-разному. При этом, это один и тот же объект.

Т.е., любой объект (являясь целостным, сложным и непрерывным в «пространстве-времени») может быть по-разному представлен и «информационно усечен», в зависимости от задачи.

Для того, чтобы предоставить пользователю возможность отобразить один и тот же объект в информационных структурах ИС определенным образом (в зависимости от контекста) и при этом "отследить" целостность объекта (как он существует в предметной области) - используется механизм ссылочности объектов.

В Системе предусмотрены два метода реализации механизма ссы-лочности объектов:

1. Ссылочные объекты.

2. Ссылочные свойства.

Ссылочный объект - это объект, ссылающийся на любой другой объект (включая и ссылочный, но исключая самого себя) и наследующий его определенные свойства (тип, наименование и т. д.). Ссылочный объект может обладать своим набором свойств.

Применительно к миварному пространству метод поддержки механизма ссылочности объектов, это (в частности) одна из составляющих такого понятия, как «отношение между объектами».

Свойство (объекта) - информационная сущность, определенным образом характеризующая информационный объект.

Свойство не может быть «охарактеризовано» другими свойствами и в этом его коренное отличие от объекта.

Свойства объектов могут быть:

- системно предопределенные (всегда присутствуют у любого объекта);

- определенные пользователем (задаются конечным пользователем).

Множество свойств - перечень всех свойств, «известных» Системе.

Если появляются новые (определенные пользователем) свойства, которые будут применяться в дальнейшем, то они должны быть сначала интерактивно внесены конечным пользователем в «множество свойств» по определенным правилам.

Количество определенных пользователем свойств концептуально не ограничено.

Основное назначение множества свойств (в контексте объектной модели предметной области):

1. Строгая и однозначная классификация свойств объектов по видовому признаку (вид свойства).

2. Системная поддержка одного из методов, реализующих механизм ссылочности объектов (ссылочные свойства).

3. Хранение скрипта для выбора объектов (при использовании механизма ссылочности, реализованного на уровне ссылочных свойств) с применением механизма предметных указателей.

В общем случае, множество типов объектов и множество свойств (определяемых пользователем) - концептуально никак не связаны друг с другом.

В процессе формирования информационной модели предметной области, аналитик принимает решение, какие именно свойства (из «множества свойств») будут использованы при создании новых информационных объектов (по умолчанию).

Конечному пользователю предоставлена возможность добавлять или удалять свойства (из «множества свойств») для любого информационного объекта.

Нет обязательных требований, чтобы все свойства были «использованы» в процессе ввода информации о реальных объектах из предметной области.

Свойства (из «множества свойств») используются, также, при настройке процессов миграции данных.

Когда конечный пользователь вносит новое свойство в Систему, то вид свойства обязательно должен быть выбран из существующего перечня. Вид свойства может быть строкой (string), числом (integer), перечислимым (enum) и т. д. Прежде чем охарактеризовать объект каким-либо свойством, добавив его в Систему, пользователь должен выбрать вид свойства.

Применительно к миварному пространству вид свойства - это, в частности, одна из составляющих такого понятия, как «отношение между объектом и свойством».

3.4. Управление в информационной системе

На рис. 1 приведен пример структуры управления данными при применении сетецентрического принципа.

Рис. 1. Структура сетецентрического управления

КУ - корневой узел системы, настраивается по умолчанию в любой информационной модели независимо от рассматриваемой предметной области.

ТО1, ТО2, ТО3 - типы объектов из множества типов, известных ИС. Количество типов объектов концептуально не ограничено.

О - объекты заданного типа.

Пунктирными линиями изображены связи между объектами различного типа, которые реализуются с помощью ссылочных объектов или ссылочных свойств. Так, у объекта заданного типа одно из свойств может быть ссылочным и указывать на объект другого типа. Таким образом, минуя иерархию между различными объектами, можно установить связь и управление с разными объектами.

Таким образом, несмотря на то, что система исходно спроектирована как иерархически-распределенная, она позволяет реализовать сете-центрическое управление объектами разного уровня.

Сетецентрическая информационно-управляющая система реализуется через формирование единого координатно-временного поля и привязку к нему всех элементов системы, информационных источников, событий, и собственно данных, что может быть обеспечено с помолщью миварного подхода.

Заключение

В работе были даны основные предположения для разработки адаптивной информационной системы с сетецентрическим управлением на основе миварного подхода. Предложена схема сетецентрического управления в предполагаемой информационной системе. Описаны метаданные, которые с помощью таких характеристик как ссылочность объектов, позволят настроить субсидиарное управление между объектами различного уровня. Таким образом, в разрабатываемой информационной системе могут быть реализованы требования к адаптивным информационным системам, построенным на основе субсидиарного управления.

Список литературы

1. Тибилова Г.С. Модели и инструментальные средства при принятии решений в условиях распределенных массивов информации // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Экономические науки. СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010. С. 232-235.

3. Цветков В.Я. Распределенное управление // Современные технологии управления. 2017. №4. С. 9-14. Изд-во: Международный центр научно-исследовательских проектов (Киров).

4. Цветков В.Я. Субсидиарное управление // Современные технологии управления. 2017. №1 (73). . Изд-во: Международный центр научно-исследовательских проектов (Киров).

5. Кудж, С.А. Сетецентрическое управление [Электронный ресурс] : монография / Кудж С.А., Соловьёв И.В., Цветков В.Я. Москва: МГТУ МИРЭА, 2013.

6. Болсуновская М.В., Широкова С.В., Логинова А.В., Гинцяк А.М. Управление командой 1Т-проекта на основе сетецентрической модели // Планирование и обеспечение подготовки кадров для промышленно-экономического комплекса региона. -2018. С. 179-183. Изд-во: Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина) (Санкт-Петербург).

7. Таненбаум Э., ван Стеен М. Распределенные системы. Принципы и парадигмы. СПб.: Питер, 2003. 877 с.

8. Павлова Д.А. Миварные технологии. Применение миварных экспертных систем для решения практических задач (рус.) // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 5 (часть 1). С. 62-65.

9. Варламов О.О. Эволюционные базы данных и знаний для адаптивного синтеза интеллектуальных систем. Миварное информационное пространство. М.: Радио и связь, 2002. 282 с.: ил. 44.

10. Варламов О.О. Миварный подход как основа качественного перехода на новый уровень в области искусственного интеллекта // Радиопромышленность. 2017. № 4. С. 13-25.

11. Уёмов А.И. Вещи, свойства, отношения. М* АН СССР, 1963. 184 с.

12. Параметрическая общая теория систем и ее применение6 сб. трудов / Под ред. А.Ю. Цофнаса. Одесса: Астропринт, 2008. 246 с.

13. Уёмов А.И. Системный подход и общая теория систем. М.: Мысль, 1978.

272 с.