CC BY
49
ГЕОИНФОРМАТИКА
УДК 519.87:004
СИСТЕМНО-ЦЕЛЕВОЙ ПОДХОД В ПРИКЛАДНОЙ ГЕОИНФОРМАТИКЕ
Игорь Георгиевич Вовк
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Пла-хотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры прикладной информатики СГГА, тел. (383)343-18-53
Объектом изучения прикладной геоинформатики являются разнообразные системы биосферы и внешней среды, взаимодействующей с биосферой. Предметом изучения прикладной геоинформатики служит пространственно-временное состояние систем биосферы. Сложность любой системы проявляется в результате возникновения в ней проблемной ситуации (противоречивости). В настоящее время для разрешения проблем в сложных системах применяют методы системного анализа и системного синтеза, объединяющих возможности различных наук и практической деятельности. Поэтому в статье они объединены названием системно-целевой подход. В статье изложено содержание и структура системноцелевого подхода применительно к проблемам прикладной геоинформатики и рассмотрен простой пример.
Ключевые слова: прикладная геоинформатика, системный анализ, системный синтез, системно-целевой подход, математическое моделирование, аналитическое моделирование, имитационное моделирование.
SYSTEMATIC-AND-PURPOSEFUL APPROACH IN APPLIED GEOINFORMATICS
Igor G. Vovk
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Doctor of Sciences, Prof., Applied Information Science department, tel. (383)343-18-53
The object being studied by applied geoinformatics is made up by various systems in the biosphere and the environment in interaction with the biosphere. The subject studied by applied geoinformatics is the state of biosphere in space and in time. The complexity of any system is manifested in the problematic situation (contradictory nature) resulting from it. Presently to solve the problems in complex systems the methods of systematic analysis and systematic synthesis are used because of their unifying possibilities in the area of various sciences and practical activities. That is why in the present article they are jointly called “systematic-and-purposeful approach”. The article gives an account of the content and the structure of the systematic-and-purposeful approach concerning the problems of applied geoinformatics, and a simple example is considered here.
115
Геоинформатика
Key words: applied geoinformatics, systematic analysis, systematic synthesis, systematic-and-purposeful approach, mathematic modeling, analytical modeling, imitation modeling.
Прикладная геоинформатика имеет важнейшее значение в жизнедеятельности людей. Объектом изучения прикладной геоинформатики являются разнообразные геосистемы, составляющие биосферу Земли и ее внешнюю среду [1]. Примерами подобных систем являются физическая поверхность Земли, системы дорог и линий связи, метеорологические процессы и явления и т. д. К системам внешней среды, взаимодействующим с системами биосферы, относятся различные физические поля Земли: гравитационное, магнитное, тепловое и другие, а также космические объекты: Солнце, Луна и планеты солнечной системы. Предметом изучения прикладной геоинформатики служит пространственновременное состояние систем биосферы. Форма, размеры и положение геосистем в пространстве, рассматриваемые как функции времени, определяют характеристики их пространственно-временного состояния (ПВС). Например, пространственно-временными характеристиками могут служить координаты множества точек системы, расстояния между ними, углы между направлениями векторов, связанных с точками, уравнения линий и поверхностей, описывающих форму системы, площади частей поверхности системы и другие функции. Целенаправленное агрегирование этих характеристик определяет свойства, характеризующие пространственно-временное состояние системы биосферы. Изменения пространственно-временных характеристик систем биосферы проявляется в их движениях и деформациях. Движения системы - это изменения ее положения в пространстве относительно неизменной системы отсчета, а деформации - движения частей относительно друг друга, сопровождающиеся изменениями формы и размеров системы в целом или отдельных ее частей [2].
Ясно, что только по данным о ПВС или эволюции ПВС системы определить причины возникновения проблемной ситуации в системе невозможно. Однако эти данные служат надежным предвестником возникновения и существования проблемы, обосновывают необходимость выявления и устранения физических причин ее существования.
Результаты прикладной геоинформатики применяются в различных сферах человеческой деятельности: экономике, экологии, сейсмологии, геодинамике, геологии и геофизике, гидрологии, строительстве. Они необходимы для описания разнообразных процессов, происходящих на планете Земля, прогноза и оценки риска последствий этих процессов, эффективного управления этими процессами.
Сложность любой системы проявляется в результате возникновения в ней проблемной ситуации (противоречивости). Признаками существования проблемы в системе служит необъяснимость, неожиданность, непредсказуемость ее состояния и поведения. Проблемы могут быть субъективными и объективными. Субъективные проблемы возникают вследствие недостаточной подготовленности людей, их квалификации. Метафорически суть субъективных про-
116
Геоинформатика
блем можно выразить словами известной басни И.А. Крылова «Ворона и лисица»: «Как часто человек бывает слеп и глуп, за счастьем, кажется, он по пятам несется, а как на деле с ним сочтется - попался как ворона в суп». Объективные проблемы возникают из-за неполноты знаний о биосферных системах, ограниченности ресурсов, разного рода неопределенностей и случайных помех. Для устранения объективных проблем необходимы знания о системах биосферы и значительные ресурсы для получения этих знаний. В настоящее время для разрешения проблем в сложных системах применяют методы системного анализа и системного синтеза, объединяющие возможности различных наук и практической деятельности [3]. На этапе системного анализа сложная система рассматривается состоящей из простых частей, устанавливаются отношения и взаимосвязи между ними и внешней средой, определяется структура системы и выясняется, каким образом возникает системообразующее свойство и система достигает своих целей. На этапе системного синтеза определяют, каковы должны быть отношения между частями, их свойства и функции, чтобы система функционировала надлежащим образом и воспроизводила нужный результат. Системный анализ выявляет причины возникновения проблем (противоречивости) в системе, а системный синтез - меры необходимые для устранения противоречий. Методы системного анализа и системного синтеза диалектически взаимосвязаны, дополняют друг друга и поэтому далее объединяются названием системно-целевой подход (СЦП) к разрешению проблем.
Основные трудности при реализации системно-целевого подхода состоят в необходимости учета большого числа факторов, влияющих на возможность достижения цели в недостатке и низком качестве исходной информации и ряде неопределенностей, обусловленных и поведением систем, и отсутствием знаний об их поведении.
Теоретической основой системно-целевого подхода является математическая (теоретическая) кибернетика. Практически все разделы и направления теоретической кибернетики имеют дело с дискретной информацией и ее различными преобразованиями. Поэтому в теоретической кибернетике активно применяются и развиваются теория и методы дискретной математики: комбинаторный анализ, математическая логика, теория графов, вычислительная математика, вычислительная геометрия, математическое программирование, имитационное и математическое моделирование и др.
Специфика методов и задач дискретной математики обусловлена необходимостью отказа от фундаментальных понятий классической математики -предела и непрерывности - и (в связи с этим) тем, что для многих задач сильные средства классической математики оказываются неприемлемыми. Однако, классическая и дискретная математика составляют диалектическое единство и поэтому непрерывная и дискретная формы представления информации изучаются (с различных точек зрения) и используются в теории случайных процессов, теории игр, теории статистических решений, в математическом программировании, теории распознавания образов и других.
117
Геоинформатика
Принятие эффективных решений, направленных на автоматизацию, информатизацию и компьютеризацию современного общества и, в частности, производство также основываются на идеях и методах системно-целевого подхода и, следовательно, идеях и методах теоретической кибернетики и дискретной математики. Исходную информацию для этого получают или в дискретной, или в непрерывной форме. Однако, нередко непрерывную информацию преобразуют в дискретную или наоборот, а затем ее дальнейший анализ и обработку осуществляют, применяя методы и классической, и дискретной математики.
Обобщенная структура СЦП соответствует известной структуре процесса познания и преобразования действительности: «наблюдение» - «абстрактное мышление» - «практика» [4].
На рис. 1 показан один из возможных вариантов представления состава и структуры системно-целевого подхода [5, 6]. На этом рисунке три верхних блока соответствуют трем этапам познания объективной реальности. Каждый блок этой строки пунктирной стрелкой соединен с соответствующим ему блоком процедуры системно-целевого подхода: «эмпирический системный анализ» - «проблемно ориентированное описание исследуемой системы» - «теоретический системный синтез». Эти три блока и определяют состав системноцелевого подхода. Три блока в нижней строке обозначают результат работы каждого блока системно-целевого подхода.
Рис. 1. Структура системно-целевого подхода
Процедура системно-целевого подхода имеет итеративный характер, т. е. при обнаружении в результатах исследования новой проблемы, противоречий или при возникновении непредвиденных неопределенностей системное исследование может возвращаться к ранее выполненным этапам.
118
Геоинформатика
Результатом первого этапа системно-целевого подхода служит создание когнитивной модели об имеющей место проблемной ситуации и первоначальная постановка задачи. Для этого необходимо выявить проблему (противоречие), которую необходимо устранить, т. е. обнаружить признаки существования проблемы. В прикладной геоинформатике такими признаками служат неизвестные ранее, непредвиденные, неожиданные изменения пространственновременного состояния и поведения систем биосферы.
Информация об имеющей место проблемной ситуации изучается и анализируется человеком. Из информации извлекаются знания. В результате человек формулирует представление об имеющем место противоречии. Такое представление называют когнитивной моделью. Вследствие профессиональной ограниченности человека, его психологической инерции, образования и культуры когнитивная модель может оказаться в какой-то мере ошибочной. Однако ошибки в когнитивной модели зачастую удается выявить на последующих этапах системно-целевого подхода. На основании когнитивной модели осуществляется первоначальная постановка задачи. Процесс постановки задачи идет практически непрерывно вплоть до решения, так как новая информация, получаемая в ходе решения, позволяет уточнить и изменить сформулированную когнитивную модель и первоначально поставленную задачу. При постановке задачи определяют: «Лицо, принимающее решение», т. е. того, кто заинтересован в устранении противоречия, цели, достижение которых разрешает проблему; критерии оценки меры достижения целей; одно- или многошаговые стратегии достижения целей; ресурсы, необходимые для реализации стратегий; взаимосвязи с внешней средой и процедуры выбора стратегий из множества альтернатив. Процедуры СЦП в большинстве случаев являются многоцелевыми, многовариантными, многошаговыми и многокритериальными.
Вторым этапом системно-целевого подхода служит проблемноориентированное описание выявленного противоречия. Оно предназначено для целенаправленного описания имеющейся проблемной ситуации, в нем унифицируют и согласуют разнообразную конкретную информацию, необходимую для достижения целей, применяя экспериментальные, эмпирические и строгие математические методы, а также и неформальные эвристические процедуры, основанные на опыте и интуиции человека.
Результат этого этапа - вербальная модель проблемной ситуации. В прикладной геоинформатике вербальная модель содержит:
- формулировку целей, достижение которых разрешает проблему;
- теоретические и экспериментальные данные, необходимые для их достижения;
- описание характеристик, обеспечивающих выявление закономерностей изменения ПВС объектов биосферы;
- структурные, функциональные и информационные процессы, обеспечивающие достижение намеченных целей.
119
Геоинформатика
После формулирования вербальной модели проблемной ситуации переходят к завершающему этапу СЦП - системному синтезу. На этом этапе осуществляется преобразование вербальной модели в математическую модель - аналитическую или имитационную [7, 8]. На этих моделях выполняется вычислительный эксперимент для оценки полезности различных вариантов достижения цели, осуществляется прогноз эволюции системы, оцениваются допустимые границы изменения структурных и функциональных параметров, проверяются полученные результаты на новизну и достоверность. Если при этом возникают новые непредвиденные проблемы, то необходимо выявить, на каком этапе они возникли, и внести необходимые изменения и дополнения.
Изложенное описание структуры и содержания СЦП не является инструкцией по его применению. В нем рассмотрена только последовательность основных формальных процедур, реализация которых должна быть осуществлена. Напомним, что СЦП включает и неформальные процедуры (экспертных оценок, мозгового штурма и др.), которые часто способствуют успеху системноцелевого исследования.
В качестве примера системно-целевого исследования в прикладной геоинформатике рассмотрим один из вариантов преобразования рельефа поверхности [9].
Традиционно в геоинформатике рельеф отображается на плоскости линиями равных высот (горизонталями), которые и являются характеристиками ПВС системы биосферы - рельефа участка местности. Пример такого отображения приведен на рис. 2, где слева показана исходная поверхность (вид сверху), а справа - ее отображение на плоскость Z = 0 линиями равных высот (горизонталями).
Рис. 2. Исходная поверхность и ее отображение на горизонтальную плоскость линиями равных высот
120
Геоинформатика
При создании на физической поверхности Земли сложных технических систем возникает необходимость преобразования рельефа соответственно заданным требованиям. Например, выполнить в заданной области сглаживание рельефа некоторой поверхностью, или получить отображение рельефа физической поверхности Земли на другую фиксированную в пространстве поверхность, или какие-либо другие задачи. Отображение рельефа земной поверхности на заданную плоскость - типичная задача определения его ПВС.
Проблемы, возникающие при этом, обусловлены противоречием между необходимостью выполнения отображения и возможностью его реализации. На первом этапе системно-целевого подхода необходимо сформулировать когнитивную модель преодоления возникшего противоречия. Когнитивная модель формулируется на основании имеющихся знаний о преодолении подобных проблем, информации, полученной в результате сбора сведений по данному вопросу, и субъективных качеств, свойств человека-исследователя. Для простоты дальнейшего изложения предположим, что необходимо отобразить рельеф поверхности, изображенной на рис. 1, не на плоскость Z = 0, а на плоскость с орт-вектором нормали n, проходящую через точку, радиус-вектор которой Rо.
Переходя к постановке задачи, замечаем, что «Лицо, принимающее решение» - это человек-исследователь, цель - отображение рельефа поверхности на заданную плоскость. Ресурсы для достижения цели - информационное, математическое, методическое и программное обеспечение, а так же пространственновременные ресурсы и квалифицированные кадры для выполнения работы. Возможные варианты достижения цели - будем считать, что конкурирующих вариантов нет. Критерием правильности может служить решение обратной задачи и сравнение результата с исходными данными или сравнение до и после преобразования метрических характеристик рельефа, инвариантных относительно искомого преобразования.
На основании изложенного сформулируем проблемно ориентированное описание. Имеется отображение поверхности на плоскость Z = 0. В связи с производственной необходимостью требуется получить отображение этой же поверхности на плоскость с орт-вектором нормали n, проходящую через заданную точку с радиусом-вектором Ro. Для решения задачи имеются все ресурсы, необходимые для достижения цели. Изложенная ситуация изображена на рис. 3.
На этом рисунке показано взаимное расположение исходной поверхности и плоскости, на которую необходимо спроектировать эту поверхность.
Структура системы для достижения цели представлена на рис. 4.
Функциональные отношения определяются оператором преобразования координат точек поверхности при ее отображении на заданную плоскость.
Информационное описание выполняемого преобразования определяется сведениями о множестве радиусов-векторов R точек исследуемой поверхности, орт-векторе нормали n плоскости, на которую необходимо отобразить рельеф поверхности, и радиусе-векторе Ro точки, через которую эта плоскость проходит.
121
Геоинформатика
,(rt )<0> ,(rt Г' ,(rt Г
Рис. 3. Исходная поверхность и плоскость проектирования
v<1>
\<2>"
Рис. 4 Структура системы достижения цели
Вербальная модель проблемной ситуации формулируется следующим образом. Имеются радиусы-векторы R множества точек поверхности и ее отображение на плоскость Z = 0. Задано уравнение плоскости
n • (R - Ro) = 0
с орт-вектором нормали n, проходящей через точку, радиус-вектор которой Ro. Требуется определить отображение рельефа на заданную плоскость.
Математическая модель для достижения цели определяется уравнением
R =А • Ro,
где R и Rо - радиусы-векторы точек исследуемой поверхности при отображении на исходную и заданную плоскости соответственно.
122
Геоинформатика
Для применения этой модели требуется определить оператор A. После определения искомого оператора нетрудно вычислить координаты точек поверхности относительно заданной плоскости и получить искомое отображение. На рис. 5 приведены результаты отображения исходной поверхности на плоскость, у которой
^-0,24 > ' 29,9 л
n = -0,144 , R = 30,383
v 0,96 J v 10,2 ,
[(r.t )<0>.(rit )<l>, (rit )<2>
Рис. 5. Рельеф исходной поверхности на плоскости проектирования
Для проверки правильности выполненного преобразования были вычислены расстояния между исходными точками до и после преобразования. Расстояния между одноименными точками совпали.
Полученные результаты анализирует «Лицо принимающее решение» и делает выводы об их приемлемости.
Рассмотренный пример хотя и является сравнительно элементарным и схематичным, но в нем просматриваются все этапы основной процедуры системно-целевого подхода - построение модели проблемной ситуации и ее применение для получения результата - принятия решения о достижении или не достижении целей системного исследования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
I. Советский энциклопедический словарь / Прохоров А.М.; 4-е издание. - М.: Советская энциклопедия, 1989.- I632 с.
I23
Геоинформатика
2. Вовк И.Г. Системный анализ и моделирование пространственно-временного состояния технических систем // Новосибирск: СГГА (Сибирская государственная геодезическая академия), 2008. Сб. материалов IV Междунар. научн. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008». Т. III, С.132-135.
3. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Основы системного анализа. - 2-е издание. -Томск : НТЛ, 1997. - С. 396.
4. Белов П.Г. Системный анализ и моделирование опасных процессов в техносфере. -М.: б.н., 2003.-512 с.
5. Вовк И.Г. Методические основы системно-целевого подхода к изучению систем // Актуальные вопросы модернизации высшего образования: сб. материалов региональной научно-методической конференции, 11-12 февраля 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2010. - С. 140-142.
6. Вовк И.Г., Бугакова Т.Ю. Основы системно-целевого подхода и принятие решений: учеб. пособие. - Новосибирск: СГГА, 2011.- 152 с.
7. Вовк И.Г. Моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии): науч.-технич. журн. / учредитель ГОУ ВПО «СГГА». - Вып. 1(14). - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 69-75.
8. Вовк И.Г. Математическое моделирование в прикладной геоинформатике // Вестник СГГА (Сибирской государственной геодезической академии): науч. -технич. журн. / учредитель ГОУ ВПО «СГГА». - Вып. 1(17). - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 94-103.
9. Вовк И.Г. Методика преобразования рельефа в прикладной геоинформатике // Интеграция обрразовательного пространства с реальным сектором экономики. Ч. 4: сб. материалов Международной научно-методической конференции, 27 февраля - 2 марта 2012 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2012. - С. 39-41.
Получено 14.06.2012
© И.Г. Вовк, 2012
124
