Концептуальная модель онтологии Арктической зоны РФ в контексте развития логистической и цифровой инфраструктуры

DOI:

Исследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 23-78-10190,

Суровый климат, непредсказуемые погодные условия и вечная мерзлота создают значительные технические и логистические препятствия для освоения ресурсов Арктики, в том числе энергетических, которыми богат этот регион [1–4]. Эти проблемы в сочетании с растущей обеспокоенностью по поводу воздействия на окружающую среду и необходимостью уделять внимание правам коренных народов требуют создания надёжной и адаптируемой структуры управления. В своих исследованиях авторы статьи рассматривают в качестве драйверов развития системы управления Арктической зоной развитие её ключевых коммуникационных подсистем — логистической и цифровой [4–8]. Обозначенные подсистемы делают возможным перемещение людей, материальных ценностей, информации, следовательно, обеспечивают ключевые каналы перемещения ценностей в регионе. Это делает их опорными элементами системы управления и развития региона и ставит задачу систематизации знаний об этих подсистемах.

Онтологии — мощный инструмент для структурирования и организации областей знаний. Они обеспечивают формальное представление концепций и их взаимосвязей, облегчая обмен информацией, интеграцию знаний и принятие обоснованных решений. В контексте нефтегазовой промышленности Арктики онтология служит критической дорожной картой, направляющей устойчивое развитие [9]. Создание онтологии Арктической зоны России позволит установить чёткое понимание многогранных аспектов арктической логистики и цифровой инфраструктуры, что, в свою очередь, станет первым шагом к эффективному анализу данных о состоянии региона. Установление взаимосвязей между основными сущностями рассматриваемой системы (рассматриваемых систем) создаёт предпосылки для более глубокого анализа и выявления возможностей реализации новых типов связей. Также онтология позволит создать общий язык для обмена информацией между различными заинтересованными сторонами — игроками отрасли: правительствами, исследователями и коренными общинами, что обеспечивает эффективное взаимодействие и совместное принятие решений.

Целью данной статьи является разработка концептуальной модели онтологии Арктической зоны РФ в контексте развития логистической и цифровой инфраструктуры.

Для достижения цели были сформулированы две задачи, которые легли в основу данной статьи:

• •    составление глоссария понятий предметной области;

• •    определение ключевых элементов онтологии.

Настоящее исследование включает в себя несколько структурных частей, каждая из которых выполняет свою функцию в процессе научного анализа. Первая часть, методология, охватывает определение основополагающих подходов, на которых базируется исследование, а также разработку глоссария ключевых понятий предметной области. Вторая часть, результаты, представляет собой обзор актуальной научной литературы в области разработки онтологий с последующим изложением предложенной онтологии, а также её уточнением и адаптацией в контексте логистической и цифровой инфраструктуры. Заключительная часть исследования посвящена подведению итогов проведённого анализа и формулировке выводов, основанных на полученных результатах.

Создавая онтологию, мы стремимся способствовать общему пониманию арктического логистического и цифрового сектора, позволяя заинтересованным сторонам ориентироваться в сложной системе проблем и возможностей. Эта инфраструктура знаний будет способствовать принятию обоснованных решений, обеспечивая устойчивое, ответственное и сбалансированное использование огромного энергетического потенциала Арктики с учётом уникальной окружающей среды региона и прав коренных народов.

Материалы и методы

Жизненный цикл онтологии строится вокруг уточнения прототипа. Он проходит через отдельные этапы, каждый из которых соответствует конкретным действиям, предусмотренным выбранным подходом. В итоге онтология переходит в состояние

СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ РАЗВИТИЕ

Трифонова Н.В., Фадеев А.М., Ильин И.В., Лёвина А.И., Дубгорн А.С. … сопровождения, в котором на протяжении всего жизненного цикла осуществляется сбор, оценка и документирование знаний [10].

Для унификации понятийного аппарата статьи предлагается глоссарий ключевых терминов:

• •    онтология — формализованное представление знаний в виде классов, атрибутов и отношений между ними;

• •    Арктическая зона РФ — территория Российской Федерации, включающая северные регионы, морские пути и островные образования;

• •    логистическая инфраструктура — совокупность транспортных путей, терминалов, складских мощностей, обеспечивающих перемещение грузов и пассажиров;

• •    цифровая инфраструктура — технологические решения, включающие центры обработки данных, телекоммуникационные сети и цифровые сервисы;

• •    коренные народы — этнические группы, традиционно проживающие в Арктическом регионе и ведущие традиционное хозяйствование;

• •    экологические риски — потенциальные негативные воздействия логистических и промышленных проектов на окружающую среду;

• •    регуляторное воздействие — законодательные и нормативные меры, регулирующие логистическую и цифровую деятельность в Арктике;

• •    стейкхолдеры — заинтересованные стороны, участвующие в планировании, реализации и управлении инфраструктурными проектами.

Построение онтологии в контексте логистической и цифровой отраслей АЗРФ представляет собой сложный и многоэтапный процесс, который невозможно осуществить без чётко выстроенного алгоритма действий. Онтология в данном случае служит основой для более глубокого понимания и организации знаний, а также для эффективного внедрения новых технологий и процессов в данной специфической географической и экономической среде. Для успешного создания онтологии логистической и цифровой отраслей в Арктической зоне России необходимо разделить весь процесс на пять чётких и логически последовательных этапов, каждый из которых имеет свои цели и задачи. Такой подход обеспечит систематичность и структурированность работы, а также позволит эффективно интегрировать знания и инновации в этих областях (рис. 1):

Определить основные классы и концепты онтологии

Описать отношения между концептами

Выделить атрибуты

Предложить операции и логические правила онтологии

Оценить онтологию по критериям

Рис. 1. Алгоритм описания онтологии (составлено авторами).

Если первые четыре этапа ограничены функциональными возможностями тех или иных программных средств, то критерии, используемые на последнем этапе, могут быть индивидуально подобраны в соответствии с целью использования онтологии. Так, критерии оценки онтологии могут быть как общими [11–12], так новыми, определёнными для конкретной онтологии. Оценка онтологии для логистического и цифрового секторов Арктики требует рассмотрения различных аспектов, охватывающих её структуру, содержание и актуальность для конкретных применений. Мы предлагаем использовать следующие критерии:

• •    Покрытие и полнота: охватывает ли онтология масштабы соответствующих концепций — от геологических формирований и методов извлечения до экологических норм и социально-экономических воздействий? Обеспечивает ли достаточную детализацию для конкретных применений? Охватывает ли онтология уникальные проблемы и возможности, представленные в арктической среде, такие как вечная мерзлота, экстремальные погодные условия и общины коренных народов?

• •    Структура и организация:  структурирована ли онтология логически и

• последовательно, с чёткими определениями и отношениями между концепциями? Использует ли онтология чётко определенную иерархию для организации концепций, позволяющих эффективно осуществлять навигацию? Является ли онтология модульной, что позволяет добавлять или удалять конкретные модули в соответствии с различными приложениями?

• •    Точность и обоснованность: основаны ли определения и отношения в онтологии на научных знаниях и отраслевых стандартах? Точно ли онтология отражает реальные концепции и отношения в логистическом и цифровом секторах Арктики?

• •    Удобство использования и применимость: доступна ли онтология и понятна ли она как техническим, так и нетехническим пользователям? Соответствует ли онтология конкретным требованиям различных приложений, таких как разведка и планирование производства, оценка воздействия на окружающую среду или разработка политики?

• •    Этические и социальные соображения: уважает ли онтология права и интересы коренных народов? Включает ли онтология концепции и отношения, имеющие отношение к минимизации воздействия сектора на окружающую среду в Арктике?

• •    Обслуживание и эволюция: предназначена ли онтология для размещения будущих изменений и обновлений в секторе и арктической среде? Участвуют ли в разработке и обслуживании онтологии заинтересованные стороны из академической среды и соответствующие сообщества?

Анализ онтологии по предложенным критериям обеспечит всестороннюю оценку её качества, пригодности и потенциала для логистического и цифрового сектора Арктики.

Результаты

Создание онтологии Арктической зоны России является важной задачей для систематизации знаний и разработки эффективных стратегий в области логистики, экологии и цифровых технологий. В научной литературе представлены различные подходы к построению онтологий в контексте Арктики.

В статье [7] рассматриваются вопросы создания онтологии Арктической зоны РФ, а также разработка и развитие базы знаний в этой области. Кроме того, в статье [13] анализируются экологические аспекты Арктической зоны, включая парниковые газы и таяние льдов, что также требует создания специализированных онтологий для оценки и управления экологическими рисками. В статье [14] обсуждаются различные подходы к классификации регионов Арктической зоны и необходимость разработки соответствующих онтологий для эффективного управления и развития этих регионов.

Однако в указанных работах не предлагается конкретная онтология Арктической зоны. В отличие от них, в настоящем исследовании предлагается разработка онтологии, которая будет служить основой для более глубокого понимания и организации знаний, а также для эффективного внедрения новых технологий и процессов в данной специфической географической и экономической среде.

Логистический и цифровой секторы Арктики представляют собой сложные системы, в которых множество заинтересованных сторон борются за влияние и выгоду. Однако эти системы нельзя рассматривать обособленно от их окружения. Арктическая зона предлагает различные потенциальные выгоды для заинтересованных сторон, но важно признать сложный и чувствительный характер региона.

Определим основные классы онтологии (рис. 2):

• •    логистическая инфраструктура;

• •    стейкхолдеры;

• •    коренные народы и их интересы;

• •    экономические субъекты;

• •    правовые и регуляторные аспекты;

• •    цифровая инфраструктура;

• •    природно-климатические факторы;

• •    географические объекты.

  

Рис. 2. Верхний уровень онтологии (составлено авторами).

Концептуальная модель онтологии Арктической зоны включает следующие ключевые классы:

• •    географические объекты: регионы, морские пути, порты, транспортные узлы, климатические зоны;

• •    логистическая инфраструктура: морские, речные, воздушные, автомобильные и железнодорожные маршруты, склады, терминалы, перевалочные пункты;

• •    цифровая инфраструктура: центры обработки данных (ЦОД), спутниковая связь, сети 5G, оптоволоконные линии, IoT-устройства;

• •    экономические субъекты: транспортные компании, промышленные предприятия, государственные органы, международные партнёры;

• •    природно-климатические факторы: ледовые условия, сезонность судоходства, метеорологические условия, экологические риски;

• •    правовые и регуляторные аспекты: международные соглашения, государственная политика, нормативные акты, стандарты безопасности;

• •    коренные народы и их интересы: традиционные хозяйственные практики, экосистемные услуги, этнокультурные аспекты;

• •    стейкхолдеры: государственные и частные организации, местные сообщества, инвесторы, международные структуры, научные институты.

Предлагаемая онтологическая модель учитывает следующие основные отношения (табл. 1):

Таблица 1

Основные отношения в разрабатываемой онтологии

Название	Описание отношений
Логистическая связь	Маршруты соединяют транспортные узлы и порты
Цифровая интеграция	Цифровая инфраструктура поддерживает логистическую инфраструктуру
Регуляторное воздействие	Нормативные акты регулируют логистическую и цифровую инфраструктуры

Экологическое влияние	Экономические субъекты влияют на экологические риски
Влияние на коренные народы	Логистическая и цифровая инфраструктуры влияют на местные сообщества
Роль стейкхолдеров	Взаимодействие различных заинтересованных сторон в планировании и реализации инфраструктурных проектов
Доступность объектов	Природно-климатические факторы влияют на логистическую инфраструктуру

Таким образом, рис. 3 отображает не только основные классы онтологии, но и связь между ними. На рисунке выделены два класса, о которых мы будем говорить далее более подробно.

owl: Thing

+ Стейкхолдер ф 'местные сообщества'

4 I терминалы

| ЕПЛА [

'облачные платформы'

• 'Логистическая инфраструктура'

'перевалочные пункты'

'центры обработки данных (ЦОД)'

'оптоволоконные линии'

'спутниковая связь'

'сети 5G' к -

1оТ-устройства автомобильные маршруты'

'Цифровая инфраструктура'

■ ф 'цифровые двойники логист.

Ж

'АСУ ТП'

1^

[+ ’ ,.....

речные маршруты'

железнодорожные маршруты'

j ф склады морские маршруты'

воздушные маршруты'

+ 'Коренные народы и их интересы'

Пр ирод но-клима тическ. факторы...

f                   I

Географические объекты'

+ 'Экономические субъекты'

+ 'Прав, и регул, аспекты'

'нормативные акты'

Рис. 3. Отношения в онтологии (составлено авторами).

Рассмотрим классы цифровая инфраструктура и логистическая инфраструктура.

Логистическая инфраструктура Арктической зоны России представляет собой сложную систему транспортных маршрутов, складских комплексов и терминалов, обеспечивающих доставку грузов и пассажиров в условиях сурового климата. Развитие этой инфраструктуры играет ключевую роль в освоении региона, поддержке местных сообществ и экономическом развитии страны [15–18].

Морской транспорт является основным средством передвижения грузов в Арктике [16–17]. Главной транспортной артерией является Северный морской путь (СМП), соединяющий европейскую часть России с Дальним Востоком. Преимуществами являются возможность транспортировки крупных партий грузов, независимость от дорожных условий, сокращение маршрута между Европой и Азией. Однако сезонность судоходства из-за ледовой обстановки и высокая стоимость ледокольного сопровождения являются ограничениями в данной сфере.

Реки играют важную роль в транспортной системе Арктики, особенно в летний период, когда они становятся доступными для навигации. Основными типами перевозок являются доставка топлива, продовольствия, строительных материалов в труднодоступные регионы. Они ограничены коротким периодом навигации и необходимостью перевалки грузов в портах на другие виды транспорта.

Авиатранспорт обеспечивает оперативное сообщение между регионами, особенно в условиях вечной мерзлоты и отсутствия круглогодичных дорог. Пассажирские перевозки, доставка почты, медицинская эвакуация, снабжение удалённых населённых пунктов — основные направления использования авиатранспорта в условиях Арктического региона. однако существуют проблемы, заключающиеся в высокой стоимости перевозок, ограниченной пропускной способности аэропортов и зависимости от погодных условий.

Автодороги в Арктике представлены зимниками (временными зимними дорогами) и постоянными трассами, но их протяженность крайне ограничена. Они характеризуются низким качеством дорожного покрытия, сложными климатическими условиями и высокой стоимостью содержания.

Железнодорожный транспорт обеспечивает перевозку грузов и пассажиров между крупными логистическими узлами [19]. Проекты по расширению железнодорожной сети в Арктике сопровождаются высокой стоимостью строительства и эксплуатации и необходимостью адаптации к вечной мерзлоте.

Важной частью логистической инфраструктуры являются места хранения и перегрузки грузов, такие как терминалы и хабы в крупных портах (Мурманск, Сабетта) и на железнодорожных узлах (Воркута, Лабытнанги).

Логистические центры обеспечивают распределение грузов, контейнеризацию, обслуживание судов и транспортных средств. Перевалочные пункты используются для перегрузки грузов между различными видами транспорта, например, с железной дороги на суда или с морского транспорта на авиацию.

Цифровая инфраструктура является основой для эффективного управления транспортными потоками, мониторинга климатических изменений и поддержки населения в удалённых районах. Её развитие критически важно для цифровизации экономики Арктики [20–22].

Центры обработки данных (ЦОД) — это ключевые элементы цифровой инфраструктуры, обеспечивающие хранение, обработку и анализ данных. К их функциям относятся: поддержка облачных сервисов, обработка данных с датчиков мониторинга, обеспечение работы государственных и корпоративных сервисов. ЦОД способствуют повышению устойчивости информационных систем, развитию удалённого администрирования и снижению задержек передачи данных. Однако высокая стоимость эксплуатации из-за климатических условий и необходимость автономного энергоснабжения — основные проблемы, требующие решения.

Спутниковая связь играет важную роль в обеспечении коммуникации в удалённых районах. «Гонец», «Ямал», проекты Роскосмоса и частных компаний предоставляют интернет-соединение, осуществляют мониторинг окружающей среды и обеспечивают связь с морскими и воздушными судами. Недостатками являются задержки сигнала и высокая стоимость спутниковой передачи данных.

Развитие скоростных сетей связи обеспечивает высокую пропускную способность для цифровых сервисов и Интернета вещей (IoT). Экспериментальные зоны в крупных городах (Мурманск, Норильск) поддерживают автономный транспорт, мониторинг инфраструктуры и удалённое управление промышленными объектами.

IoT позволяет автоматизировать мониторинг состояния объектов инфраструктуры, включая датчики мониторинга состояния ледовой обстановки, системы контроля за состоянием трубопроводов и транспортных путей, устройства отслеживания движения судов, самолётов и автотранспорта, а также умные метеостанции для прогнозирования погодных условий.

Каждый из представленных классов обладает рядом атрибутов:

• •    для логистической инфраструктуры: длина, сезонность, пропускная способность.

• •    для цифровой инфраструктуры: уровень надёжности, зона покрытия, уровень киберзащиты.

Логистическая и цифровая инфраструктуры Арктической зоны РФ тесно взаимосвязаны, поскольку цифровые технологии обеспечивают оптимизацию транспортных потоков, мониторинг состояния маршрутов и управление объектами логистики в условиях экстремального климата. Основные типы взаимосвязей между этими инфраструктурами следующие:

• •    поддерживает — цифровая инфраструктура обеспечивает работу логистических систем;

• •    реализует — цифровые технологии позволяют внедрять автоматизированные логистические процессы;

• •    может дублировать — альтернативные цифровые решения (например, беспилотные летательные аппараты) могут заменять или дополнять традиционные логистические маршруты.

В данном разрезе необходимо ввести новые элементы и связи, такие как:

• 1.    Автоматизированные и роботизированные склады

  • 1.1.    Связь « реализует »: IoT-устройства позволяют автоматизировать складские операции.

  • 1.2.    Связь  « поддерживает »:  спутниковая связь и сети 5G обеспечивают

• 2.    Беспилотные летательные аппараты (БПЛА) для грузоперевозок

  • 2.1.    Связь « может дублировать »: БПЛА могут заменить традиционные авиационные маршруты, особенно в труднодоступных районах.

  • 2.2.    Связь « реализует »: системы спутниковой навигации, облачные платформы и искусственный интеллект обеспечивают автономное управление дронами.

• 3.    Интеллектуальные транспортные коридоры

  • 3.1.    Связь   « поддерживает »:   цифровые двойники маршрутов позволяют

• 3.2.    Связь « реализует »: автоматизированные системы управления транспортными потоками (АСУ ТП) сокращают затраты и время доставки.

бесперебойную работу удалённых логистических центров в Арктике.

прогнозировать ледовые условия и корректировать маршруты судов.

На рис. 4–14 отображены отношения между индивидами онтологии.

Рис. 4. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: IoT-устройства, облачные платформы (составлено авторами).

Рис. 5. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: цифровые двойники логистических маршрутов (составлено авторами).

Рис. 6. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: АСУ ТП (составлено авторами).

Рис. 7. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: оптоволоконные линии, ЦОД (составлено авторами).

Рис. 8. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: сети 5G (составлено авторами).

Рис. 9. Отношения индивидов цифровой инфраструктуры онтологии: спутниковая связь (составлено авторами).

Рис. 10. Отношения индивидов логистической инфраструктуры онтологии: БПЛА (составлено авторами).

Рис. 11. Отношения индивидов логистической инфраструктуры онтологии: автомобильные маршруты, воздушные маршруты (составлено авторами).

Рис. 12. Отношения индивидов логистической инфраструктуры онтологии: железнодорожные маршруты, морские маршруты (составлено авторами).

Рис. 13. Отношения индивидов логистической инфраструктуры онтологии: перевалочные пункты, речные маршруты (составлено авторами).

Рис. 14. Отношения индивидов логистической инфраструктуры онтологии: склады, терминалы (составлено авторами).

Для эффективного использования онтологии предложены следующие логические правила:

• •    оптимизация логистических потоков на основе цифровых данных;

• •    прогнозирование климатических условий и ледовой обстановки для судоходства;

• •    анализ уровня цифровизации инфраструктуры и её влияния на транспортные процессы;

• •    автоматизированная оценка рисков в логистических маршрутах на основе исторических данных;

• •    оценка влияния инфраструктурных проектов на традиционные практики коренных народов;

• •    разработка механизмов компенсации ущерба коренным народам и вовлечение их в процессы планирования и развития региона;

• •    управление взаимодействием между стейкхолдерами для координации экономических, экологических и социальных аспектов.

Предлагаемая онтология объединяет масштабы соответствующих концепций и обеспечивает достаточную детализацию для конкретных применений. Она охватывает уникальные проблемы и возможности, представленные в арктической среде, такие как вечная мерзлота, экстремальные погодные условия и общины коренных народов. Онтология структурирована логически и последовательно, с чёткими определениями и отношениями между концепциями, использует строгую иерархию для организации концепций, позволяющих эффективно осуществлять навигацию. Она является модульной, что позволяет добавить или удалять конкретные модули в соответствии с различными приложениями. Определения и отношения в онтологии основаны на научных знаниях и отраслевых стандартах. Модель точно отражает реальные концепции и отношения в логистическом и цифровом секторах Арктики. Онтология легко понятна как техническим, так и нетехническим пользователям и соответствует конкретным требованиям различных приложений. Она уважает права и интересы общин коренных народов, включает в себя концепции и отношения, имеющие отношение к минимизации воздействия сектора на окружающую среду в Арктике. Заинтересованные стороны в секторе, академические круги и соответствующие сообщества, участвующие в разработке и обслуживании онтологии, могут производить необходимые изменения и обновления.

Заключение

Развитие логистической и цифровой инфраструктуры в Арктической зоне России является стратегически важным направлением. Логистическая система включает в себя морские, речные, воздушные, автомобильные и железнодорожные маршруты, а также склады, терминалы и перевалочные пункты. Цифровая инфраструктура, представленная ЦОД, спутниковой связью, сетями 5G и IoT-устройствами, играет ключевую роль в управлении этими процессами. Её развитие позволит повысить экономическую эффективность, безопасность и устойчивость транспортных и промышленных систем в условиях экстремального климата Арктики.

Разработка онтологии Арктической зоны РФ в контексте логистики и цифровой инфраструктуры позволяет систематизировать знания, улучшить управление транспортными потоками и цифровыми активами региона. Внедрение цифровых технологий и онтологических моделей способствует более эффективному использованию ресурсов, снижению рисков и повышению конкурентоспособности Арктического региона. Важным аспектом является учёт интересов коренных народов, что позволит обеспечить баланс между экономическим развитием и сохранением их традиционного образа жизни. Включение стейкхолдеров в процесс разработки и принятия решений способствует более устойчивому и сбалансированному развитию региона.