Software & Systems

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН) является признанным лидером в области системных исследований в энергетике как в нашей стране, так и за рубежом. В ИСЭМ СО РАН ведутся комплексные исследования, важную роль среди них играют исследования проблемы энергетической безопасности (ЭБ). Под ЭБ понимается защищенность жизненно важных энергетических интересов личности, общества и государства от внутренних и внешних угроз (бесперебойное обеспечение потребителей экономически доступными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) приемлемого качества: в нормальных условиях – обеспечение в полном объеме обоснованных потребностей, в чрезвычайных ситуациях – гарантированное обеспечение минимально необходимого объема важных потребностей) [1]. Под исследованиями проблемы ЭБ в данной работе понимаются исследования направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ.

Традиционно для исследований проблемы ЭБ, основными инструментами которых являются математическое моделирование и вычислительный эксперимент, в ИСЭМ СО РАН разрабатывались пакеты прикладных программ и БД. В разработке современного ПО прослеживаются четкие тенденции интеллектуализации программных средств, избавляющих специалистов от выполнения множества рутинных операций и предоставляющих возможность более эффективно заниматься вопросами стратегического планирования и полностью сосредоточиться на задаче, не отвлекаясь на продумывание средств ее реализации.

Реализация в ИСЭМ СО РАН ИТ-инфраструк­туры научных исследований создала предпосылки для использования таких современных и открытых технологий, как Web-сервисы. Одной из основных идей поддержки исследований развития ТЭК является повышение уровня интеллектуализации и адаптивности инструментальных средств [2]. Применение технологии Web-сервисов само по себе не может оказать влияние на повышение уровня интеллектуализации инструментальных средств для поддержки исследований, поэтому автор предлагает использовать многоагентные технологии, которые зародились на пересечении теории систем и искусственного интеллекта и в последнее время получили широкое распространение [3].

Методический подход к разработке многоагентных программных комплексов

Предлагается использовать концепцию многоагентных систем на основе архитектуры, ориентированной на сервисы (Service-Oriented Architectu­re, SOA), где проблема представления знаний решается с помощью онтологий. Концепция создания программ, которые могут существовать автономно или взаимодействовать друг с другом в рамках как отдельно выделенной системы, так и с внешними информационными системами, прекрасно сочетается с техническими возможностями, предоставляемыми SOA.

Автором разработан оригинальный методический подход к построению многоагентных программных комплексов (МПК) для исследований в энергетике, включающий:

·     методику построения и разработки МПК, ориентированную на создание ПО нового поколения;

·     сервис-ориентированную архитектуру МПК, использование которой позволяет рассматривать отдельных агентов как сервисы, из которых строится приложение;

·     модели данных и алгоритмы обработки данных, являющиеся основой универсальных системных программных компонентов, которые могут использоваться при построении МПК.

Предлагаемая автором методика совмещает агентную концепцию и объектно-ориентирован­ный подход к разработке ПО и является руководством, следуя которому, можно разработать МПК. Методика включает следующие основные этапы:

1)   формулирование назначения (цели разработки);

2)   составление вариантов использования (прецеденты – use cases) ПК;

3)   определение состава, а также основных и вспомогательных функций агентов;

4)   определение типа и основных свойств среды функционирования агентов;

5)   уточнение состава агентов и распределение функций между агентами, выбор архитектур агентов;

6)   выделение базовых взаимосвязей (отношений) между агентами;

7)   определение возможных действий (операций) агентов;

8)   построение архитектуры МПК;

9)   тестирование разработанного МПК;

10)     интеграция многоагентного ПК в ИТ-ин­фраструктуру исследований в энергетике.

Сервис-ориентированная архитектура является одной из ключевых концепций в плане реализации МПК. Представление отдельных агентов в виде сервисов дает преимущества, например, использование взаимопомощи, многократное использование агентов и т.д. Если рассматривать архитектуру МПК с точки зрения реализации, ее можно представить в виде распределенной архитектуры клиент–сервер (рис. 1), в которой центральный элемент – сервер приложений.

Таким образом, с точки зрения физической реализации агентом является конкретное при- ложение, состоящее из клиентской (потреби- тель сервиса) и серверной (поставщик сервиса) частей.

Основная задача клиентской части агента – обеспечение дружественного пользовательского интерфейса, посредством которого исследователь получает доступ ко всем функциональным возможностям агента, реализованным главным образом в его серверном компоненте. Доступ к данным и знаниям выполняется посредством связи агентов с репозитарием по протоколу SOAP (Simple Object Access Protocol) либо с использованием языка SQL (Structured Query Language). Связь агентов друг с другом осуществляется также по протоколу SOAP, однако взаимодействие клиентской и серверной частей агента может происходить по-разному: например, с помощью удаленного вызова процедур через HTTP (Hyper-Text Transfer Protocol) c использованием XML (XML-Remote Procedure Call) или протокола SOAP, хотя по такому принципу функционирует большинство систем этого класса и различия в реализации и процедуре обмена не оказывают существенного влияния на его суть.

Для реализации МПК с применением SOA необходимо использовать все три компонента указанной архитектуры: реестр, провайдер сервисов, потребитель сервисов. Под реестром понимают компонент, отвечающий за публикацию служб и хранение ссылок на зарегистрированные службы. Он используется провайдерами и потребителями сервисов для регистрации и нахождения служб соответственно. В качестве реестра сервисов применяют существующий репозитарий ИТ-инфра­структуры [4].

Как универсальные системные компоненты, лежащие в основе МПК для исследований в энергетике, можно рассматривать:

·     новый стандарт представления и хранения информационных моделей ТЭК, используемых в исследованиях проблемы ЭБ;

·     службу загрузки и выгрузки информационных моделей в репозитарий ИТ-инфраструктуры;

·     службы организации обмена сообщениями между агентами;

·     службы интеграции агентов.

МПК ИНТЭК-М

На основе авторской методики в соответствии с разработанной архитектурой выполнены проектирование и реализация МПК ИНТЭК-М для исследований проблемы ЭБ.

В основе создания ИНТЭК-М лежит распреде­ление функций между отдельными агентами. Такой ПК по сути представляет собой системные компоненты (указанные выше) и совокупность интеллектуальных и традиционных компонентов (агентов), каждый из которых решает свою задачу.

Общая схема работы агентов, реализующих полную схему проведения вычислительного экс­перимента для исследований направлений разви­тия ТЭК с учетом требований энергетической безопасности, представлена на рисунке 2.

Каждый из реализованных агентов ИНТЭК-М решает задачи, соответствующие тому или иному этапу вычислительного эксперимента. Главным достоинством предлагаемого подхода является независимость от последовательности этапов проведения вычислительного эксперимента, которая обеспечивается автономностью и мобильностью отдельно взятого агента.

Агент задания чрезвычайных ситуаций, основная цель которого – автоматическое сопоставление вербальных формулировок сценариев чрезвычайных ситуаций их числовым интерпретациям в модели, предоставляет исследователю возможность накапливать, классифицировать, конфигурировать и применять различные типы чрезвычайных ситуаций в ходе вычислительного эксперимента. Пользовательский интерфейс агента представлен на рисунке 3.

Агент формирования сценария развития ТЭК – конструктор, позволяющий исследователям формировать дерево вариантов развития ТЭК, которое является основой при проведении вычислительного эксперимента (рис. 4).

Агент формирования информационных моделей и внесения корректировок предоставляет исследователю средства удобной и эффективной работы с информационными моделями ТЭК, включая их создание с «чистого листа». Пользовательский интерфейс агента представлен на рисунке 5.

Агент-вычислитель – реализованный сторонними разработчиками свободно распространяемый программный продукт для решения задачи линейного программирования (lp_solve [5]) включен в состав ИНТЭК-М, поскольку при исследовании направлений развития ТЭК с учетом требований ЭБ традиционно решается общая задача линейного программирования.

Агент формирования отчетов, основной задачей которого является построение различных табличных отчетов и их графических представлений, содержащих интересующие исследователя показатели результатов вычислительного эксперимента, предоставляет возможность как агрегированного анализа расчетов, так и более детального, а также наглядного сравнения нескольких вариантов расчетов.

Благодаря использованию таких современных, открытых и стандартизованных технологий, как Java и XML, агенты ИНТЭК-М приобретают дополнительное свойство мобильности, которое является одним из неотъемлемых для агентов в многоагентной системе.

Совместно с экспертами-энергетиками автором был проведен вычислительный эксперимент по оценке возможных дефицитов топливно-энергетических ресурсов и их компенсации в критической ситуации. В качестве критической ситуации рассматривалась холодная зима в Центральном федеральном округе.

В заключение следует отметить, что основными преимуществами ИНТЭК-М являются единая идеология и технология разработки, адаптивность к изменениям схемы проведения вычислительного эксперимента, кроссплатформенность, предпосылки к распараллеливанию, интеграция в ИТ-ин­фраструктуру.

Эффективность использования разработанного ПК ИНТЭК-М для поддержки исследований проблемы ЭБ России и ее регионов на настоящем этапе можно оценить качественно: созданный новый инструмент обеспечивает исследователю более удобную и психологически комфортную работу, что подтверждается многими экспертами.

МПК ИНТЭК-М и его системные компоненты могут служить базой для создания других МПК для исследований в энергетике.

Литература

1.   Бушуев В.В., Воропай Н.И., Мастепанов А.М., Шафраник Ю.К. Энергетическая безопасность России. Новосибирск: Сибир. издат. фирма РАН «Наука», 1998. 302 с.

2.   Fartyshev D.A., Arshinsky V.L., Massel L.V. Intellectual information technologies in energy security problem research // Proceedings of the 11-th International Workshop on Computer Science and Information Technologies, 2009. Vol. 1, рр. 25–28.

3.   Аршинский В.Л., Массель А.Г., Фартышев Д.А. Мультиагентный программный комплекс для исследований проблемы энергетической безопасности // Информ. и матем. технологии в науке и управлении: тр. XIV Байкальской всерос. конф. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. Ч. 3. С. 283–289.

4.   Massel L.V., Kopaygorodsky A.N., Chernousov A.V. IT-infrastructure of research activities realized for the power engineering system researches // X International Conference «Cоmputer Science and Information Technologies», 2008, рр. 106–111.

5.   Официальный сайт разработчиков lp_solve. URL: http://lpsolve.sourceforge.net/ (дата обращения: 10.12.2009).