Программные продукты и системы

Значительный интерес во всем мире вызывают исследования взаимодействия экологических и экономических систем с учетом здоровья населения. Их результаты востребованы при разработке социально-экономической политики регионов на разных уровнях. Проведение таких исследований в силу междисциплинарного характера проблемы невозможно без использования подходов математического моделирования. Один из таких подходов предложен в [1, 2]. Согласно ему, в медико-эколого-экономических моделях (МЭЭМ) исследуемые факторы рассматриваются и описываются как равноправные взаимодействующие составляющие единой динамической системы. Математическое описание МЭЭМ представляет собой систему балансовых и обыкновенных дифференциальных уравнений. Основная часть используемых моделей и принципов их построения представлена в [1, 2].

Постановка задачи. Как известно, математическое моделирование – сложный, трудоемкий итеративный процесс [3], требующий привлечения специалистов в разных областях знаний. Каждая МЭЭМ является результатом совместной работы коллектива экспертов-предметников и экспертов в математическом моделировании. Поэтому возникает проблема сохранения опыта построения МЭЭМ с целью его дальнейшего использования при проектировании и реализации других подобных моделей. Для решения этой проблемы предлагается разработанный интеллектуальный программный комплекс поддержки моделирования медико-эколого-экономических систем (ИПК «МЭЭМ»).

Рассматриваемый ИПК предназначен для поддержки процесса моделирования на следующих этапах: формирование информационного наполнения (ввод, редактирование данных); структурная идентификация (определение состава показателей модели и выбор компонентов МЭЭМ из банка моделей); параметрическая идентификация; верификация; формирование сценариев, расчет и анализ результатов. С точки зрения системного анализа эти этапы согласуются с классическими этапами моделирования.

Основные особенности применяемого для построения МЭЭМ подхода связаны с методиками определения параметров модели. В классическом методе черного и серого ящиков для идентификации параметров используется информация о значении входов и выходов, полученная в результате либо наблюдений, либо различных типов экспериментов. В используемом подходе каждый параметр может также рассматриваться с точки зрения предметного смысла факторов, взаимодействие которых он должен описывать. Это позволяет применить для их определения методики, использующие при расчетах данные, относящиеся напрямую к физическому смыслу параметра. Например, в эколого-экономической модели при определении параметра влияния численности населения на загрязнение атмосферного воздуха используются следующие данные: средний пробег 1 машины в год; средний расход бензина на 1 км пути (тонн); количество машин у населения; численность населения; объем нижнего слоя атмосферы; удельные выбросы ингредиентов при сгорании бензина. Следовательно, при проведении этапа идентификации возникает задача выбора подходящей в конкретной ситуации методики. Это, в свою очередь, означает, что конкретную ситуацию необходимо предварительно формально описать. В результате появляется еще одна задача – создание баз знаний об исследуемом объекте и используемых при его моделировании методах. Рассмотрим эти базы знаний более подробно.

Логическая модель предметной области (ЛМПО) содержит описание предметной области с точки зрения эксперта-предметника. В ЛМПО знания носят описательный характер и органи- зованы в виде фреймов. С их помощью эксперт-предметник описывает основные элементы и отношения исследуемой системы. При этом не предполагается, что эксперт должен иметь представление о способах построения математической модели. База знаний математического моделирования (БЗММ) содержит информацию о структуре моделей, принципах их построения и применяемых при этом методах. Объекты БЗММ, которые используются в процессе формирования модели, на самом верхнем уровне можно разбить на 4 группы множеств: переменных модели, V; компонент структурных моделей, Ms; методов идентификации параметров МЭЭМ, I; процедур исследования модели, A.

Под построением модели с использованием ИПК «МЭЭМ» будем подразумевать преобразование формализованных экспертных знаний специалиста-предметника, представленных в ЛМПО, в знания о математической модели, представленные в БЗММ. Такое преобразование назовем формированием модели.

Типовые процедуры, возникающие при формировании моделей для конкретных классов задач, назовем процедурами формирования моделей (ПФМ). Под такими процедурами понимается набор элементарных ходов, традиционно выполняемых модельером и экспертом на каждом этапе процесса построения МЭЭМ. ПФМ представляются в виде тройки <ЛП, ПДД, ПВМ>, где ПВМ – процедура выполнения моделей, обеспечивающая проведение необходимых в процессе формирования модели вычислений (генерация данных на основе имитационных моделей, определение параметров модели, использование численных методов для решения систем уравнений, задающих МЭЭМ, и др.); ПДД – процедура доступа к данным, заключающаяся в извлечении необходимых в процессе формирования модели данных, источниками которых могут быть БД, данные, использованные ранее при создании других МЭЭМ или являющиеся результатами вычислений по этим моделям; ЛП – логические правила, то есть продукционные правила, моделирующие действия экспертов и модельеров в процессе построения МЭЭМ. Общая схема формирования математической модели представлена на рисунке 1.

Добавив к рассмотренным выше задачи, связанные с расчетами и анализом результатов моделирования, получим следующие основные функции программного комплекса.

1.   Редактирование БЗ: добавление знаний через определение новых фреймов-экземпляров ЛМПО и создание ПФМ.

2.   Определение параметров модели с помощью различных методов идентификации: автоматизация расчетов, выбор подходящих методик.

3.   Проведение многовариантных расчетов, формирование различных типов сценариев.

4.   Сохранение полученных результатов моделирования для дальнейшего анализа: база просчитанных сценариев, база построенных моделей, различные виды отображения результатов моделирования.

Архитектура программного комплекса. Современный уровень развития ПО позволяет разработчикам решать свои задачи, используя уже существующие программы и добавляя собственные наработки. В данном случае выбран именно такой подход: к существующему прототипу системы автоматизации расчетов добавлены известные средства, которые в разной степени модифицировались. В результате разработаны модули, составляющие основу ИПК. Их взаимодействие показано на рисунке 2. Рассмотрим коротко возможности каждого модуля.

МЭЭМ-расчет. Данный модуль основан на программной системе моделирования динамики заболеваемости населения [4]. В рамках рассматриваемого ИПК поддержки процесса моделиро- вания его возможности были значительно рас- ширены. Модуль содержит большое количество процедур идентификации параметров МЭЭМ, позволяет проводить многовариантные расчеты и имеет графический пользовательский интерфейс и программный интерфейс, через который осуществляется доступ к внутренним функциям, не- обходимым при построении модели (создание и удаление объектов, вычисления, отображение результатов и т.д.).

МЭЭМ-конвертор. Данные, используемые при идентификации параметров модели и в сценарных расчетах, поступают из разных источников в разных форматах. Для решения задачи автоматического преобразования информации из разных форматов и типов файлов (в основном текст и MS Excel) в форматы программной системы разработан модуль преобразования данных. Информация о том, как интерпретировать данные в исходном форматировании, содержится в файлах-настройках (XML-файл).

МЭЭМ-Protégé. Для сбора информации от пользователей и экспертов как средство приобретения знаний используется свободно распространяемая программа Protégé-frames. На основе разработанной объектной модели предметной области Protégé предоставляет несколько вариантов графических элементов, с помощью которых возможен ввод информации. В случае МЭЭМ-Protégé заполнение логической модели предметной области пользователем происходит преимущественно через визуальный элемент Protégé – GraphWidget, который позволяет в удобной форме отобразить объекты ЛМПО и связывающие их отношения.

МЭЭМ-CLIPS. Прикладная экспертная система МЭЭМ-CLIPS моделирует действия экспертов при построении МЭЭМ. С целью реализации системы была выбрана оболочка CLIPS, использующая для представления знаний продукции, фреймы и объекты (встроенный объектно-ориентиро­ванный язык COOL). Основные характеристики CLIPS: является одной из самых популярных бесплатных оболочек для создания ЭС в настоящее время, реализует прямой логический вывод; использует несколько стратегий разрешения конфликтных ситуаций; предоставляет интерфейсы для доступа к своим внутренним функциям и содержит механизмы для вызова функций, объявленных во внешних модулях; написана на языке С (МЭЭМ-расчет реализован на С++).

МЭЭМ-CLIPS осуществляет взаимодействие с тремя модулями ИПК: МЭЭМ-Protege, МЭЭМ-Twiki, МЭЭМ-расчет. Protege-frames использует для внутреннего хранения введенной в него информации расширенную нотацию CLIPS, поэтому передача заполняемой пользователем в МЭЭМ-Protege ЛМПО осуществляется практически без изменений (лишь добавляется служебная информация для CLIPS). Благодаря реализованному в CLIPS механизму протоколирования процесса логического вывода, существует возможность сохранить для дальнейшего анализа действия, осуществленные ЭС при формировании модели. Протокол вывода передается в МЭЭМ-Twiki для дальнейшего отображения и анализа.

Экспертная система управляет процессом формирования модели и активно взаимодействует с модулем МЭЭМ-расчет, вызывая ее расчетные процедуры.

Возможность модульной организации правил в CLIPS позволяет реализовать экспертную систему с доской объявлений, так как каждый модуль имеет собственный процесс сопоставления образцов и план решения задачи. На самом верхнем уровне для каждого этапа моделирования создается свой модуль. Далее правила, относящиеся к определенной ПФМ, также группируются в отдельный модуль. В результате получается двухуровневая система досок объявлений, что значительно облегчает анализ и сопровождение БЗ.

МЭЭМ-Twiki. Одной из важных задач при формировании моделей является документирование процесса их построения. Это становится еще более важным, когда отдельные этапы данного процесса выполняются в автоматическом режиме. Результаты вычислений и решений, принятых в экспертной системе, сохраняются в МЭЭМ-Twiki. Данный модуль разработан на основе свободно распространяемой системы Twiki, которая используется для создания структурированных web-эн­циклопедий. Благодаря расширяемости Twiki за счет плагинов, возможны различные формы представления информации: текст, таблицы данных, графики и диаграммы. МЭЭМ-Twiki может также использоваться как FAQ-система, средство для удаленного взаимодействия разработчиков моделей, архив файлов с исходными данными или сформированными моделями.

Программный комплекс применялся для параметрической идентификации и проведения многовариантных расчетов по МЭЭМ хозяйственного развития азиатской части России [5].

В заключение можно сделать следующие выводы. ИПК «МЭЭМ» обеспечивает возможность сохранения опыта, полученного в процессе построения МЭЭМ для некоторого объекта в формализованном виде (БЗ математического моделирования, процедуры формирования модели).

Таким образом, полученный опыт может использоваться для автоматизации следующих задач моделирования:

-    формирование исходного набора моделей на основе информации из ЛМПО в соответствии с различными методиками построения (ПФМ);

-    автоматическое обновление модели при изменениях в ЛМПО (добавление новых факторов и отношений);

-    использование МЭЭМ, разработанной для некого региона, для автоматического формирования модели другого региона с учетом его специфических особенностей; в этом случае для новой модели требуется задание ЛМПО, а для базовой – ЛМПО и самой модели, представленной в БЗММ.

Такой подход значительно сокращает время разработки МЭЭМ.

Программный комплекс можно использовать и для моделирования систем из другой предметной области, не связанных с МЭЭМ, но анализ пригодности встроенного множества моделей для систем другой природы и создание новой структуры ЛМПО – сложная задача, требующая отдельного рассмотрения.

Модули ИПК «МЭЭМ» разработаны на языках C++, Perl, Java на основе объектно-ориентирован­ного подхода.

Его апробация и тестирование проведены на ОС Microsoft Windows XP.

Литература

1.   Гурман В.И. [и др.]. Эколого-экономическая стратегия развития региона: Математическое моделирование и системный анализ на примере Байкальского региона. Новосибирск: Наука, 1990. 184 с.

2.   Моделирование и оценка состояния медико-эколого-экономических систем; [под ред. В.А. Батурина]. Новосибирск: Наука, 2005. 249 c.

3.   Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 487 с.

4.   Ефимова Н.В., Столбов А.Б., Урбанович Д.Е. Разработка программной системы моделирования динамики заболеваемости населения // Вест. ТГУ. 2006. № 18. С. 161–166 (Приложение).

5.   Батурин В.А. [и др.]. Сценарный анализ эколого-экономического развития азиатской части России // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. № 4. С. 13–18.