Обеспечение интероперабельности как межотраслевая наукоѐмкая проблема

Цифровая трансформация экономики и государственного управления вступила в стадию, при которой существенная доля инвестиций направляется не на создание отдельных информационных систем (ИС), а на обеспечение их совместной работы. Интероперабельность перестаёт быть технической проблемой, а приобретает статус стратегического фактора эффективности цифровой инфраструктуры. Однако государственная технологическая политика не содержит системного ответа на этот вызов. Например, Перечень важнейших наукоёмких технологий [1], включает технологии обеспечения информационной безопасности (пп.11, 13 раздела критических технологий), но не содержит технологии обеспечения интероперабель- ности (ТОИ). Это порождает структурный дисбаланс: безопасность данных обеспечена конкретными технологиями, а их совместное использование технологической поддержки не имеет.

1    Актуальность проблемы интероперабельности

ИС, как, например, система межведомственного электронного взаимодействия (СМЭВ) и единая система идентификации и аутентификации (ЕСИА), решают задачу доставки данных до адресата, но не обеспечивают смысловой интерпретации полученных данных в контексте иной предметной области (ПрО). Наименее проработанной остаётся семантическая составляющая: способность систем понимать и адекватно интерпретировать информацию на основе формальных онтологий. Эту задачу призвана решать ТОИ, понимаемая как совокупность научно и практически обоснованных методов, средств и процессов, обеспечивающих переход от ручного или слабоавтоматизированного онтологического согласования к автоматизированному с формальными гарантиями корректности [2]. Например, Федеральный закон (ФЗ) «Об отдельных вопросах регулирования платформенной экономики в РФ» [3] и проект ФЗ «О технологической платформе создания, развития и эксплуатации информационных систем» [4] содержат требования к интероперабельности, но не обеспечены технологическим инструментарием. Это создаёт разрыв «обязывание без технологии», который мог бы разрешиться включением ТОИ в Перечень сквозных технологий (ПСТ).

Следует терминологически разграничить национальный профиль интероперабельности (НПИ) [5], определяющий, что должно быть обеспечено на уровне принципов и архитектуры, и ТОИ, определяющую, как обеспечить это на уровне научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР). В п.1.1 стандарта [2] единый подход к обеспечению интероперабельности квалифицируется как метатехнология, а ТОИ наполняет этот методологический каркас инженерным содержанием: алгоритмами автоматизированного онтологического отображения, процедурами формальной верификации семантических мостов и методами автоматизированного семантического согласования.

Центральный исследовательский вопрос: удовлетворяет ли ТОИ критериям включения в ПСТ, установленным ФЗ [6] и Постановлением Правительства [7]? Для ответа на этот вопрос необходимо установить, обладает ли ТОИ межотраслевым характером и специфичным научным фундаментом и требуется ли проведение целенаправленных НИОКР. Эти и другие подвопросы соответствуют квалификационным критериям, закреплённым в [7].

Исследование включает концептуальный анализ ключевых дефиниций, фактологический анализ эмпирических данных, нормативно-правовой и сравнительно-прецедентный анализ отечественных и международных актов.

2    Концептуальные основы и терминология

Стандарт [2] определяет интероперабельность как «способность двух или более ИС или компонентов к обмену информацией и к использованию информации, полученной в результате обмена» (п. 3.1.8). Это определение согласуется с международными стандартами [8, 9], которые определяют интероперабельность как «возможность взаимодействия, обмена данными и совместного использования информации между двумя или более системами или компонентами». В ряде национальных стандартов (например, [10]) контекст интероперабельности распространён на сложные организационно-технические системы. . В соответствии с [2, 11, 12] интероперабельность декомпозируется на три уровня (рисунок 1).

Уровни интероперабельности

Технологические средства

Организационная интероперабельность

Согласованность бизнес-процессов и организационных структур

V

Семантическая интероперабельность

Корректная интерпретация смысла данных

I

Техническая интероперабельность

Обмен данными на уровне форматов и протоколов

Профили интероперабельности Процессные модели

Логический вывод (DL)

RDF, XML, JSON HTTP, SOAP, REST

Рисунок 1 – Трёхуровневая модель интероперабельности и технологических средств её обеспечения

Синтаксическая интероперабельность обеспечивает способность систем обмениваться данными на уровне форматов и протоколов передачи. Семантическая интероперабельность гарантирует корректную интерпретацию смысла обмениваемых данных на основе формальных онтологий. Организационная интероперабельность позволяет достичь согласованности бизнес-процессов, правовых и организационных процедур в рамках которых осуществляется обмен. Каждому уровню соответствуют класс задач и набор технологических решений: транспортные протоколы на первом уровне, онтологические модели и механизмы логического вывода на втором, процессные модели и профили интероперабельности на третьем.

Различение транспортной связности и семантической интероперабельности имеет практическое значение. Например, платформы СМЭВ и региональная СМЭВ (РСМЭВ) обеспечивают транспортную связность между ведомственными системами; [13] фиксирует данную задачу как приоритетную; ЕСИА решает задачу аутентификации. При этом семантический разрыв сохраняется: данные доходят до адресата, но требуются их нормализация, перекодировка и интерпретация. Это позволяет определить содержание проблемы, на решение которой направлена ТОИ – смысловое согласование данных после передачи.

Онтология – «формальная явная спецификация концептуализации» [14]. В контексте ТОИ онтологии суть формальные модели ПрО, выраженные на языке дескрипционных логик [15] и реализованные в стандарте OWL 2. Профиль интероперабельности [16] определяется как спецификация требований к семантической совместимости единиц производственных возможностей. В ТОИ этот подход расширен до межотраслевого уровня: понятие «единиц производственных возможностей» обобщается до «информационных единиц», семантически значимых компонентов ИС (справочники, классификаторы, онтологии), между которыми устанавливаются отношения эквивалентности или включения.

Семантический мост представляет собой формально специфицированное множество аксиом отображения между сущностями и отношениями двух или более онтологий, обеспечивающее сохранение семантики при преобразовании данных. В( 0_г ,0₂ ) = {т ^ , ^т,, .^,т_к], где O 1 и O 2 – онтологии ПрО; m ᵢ – аксиома отображения, устанавливающая отношение эквивалентности, включения или обратного включения между сущностями онтологий O 1 и O 2 .

Автоматизированное семантическое согласование определяется как компонент ТОИ, обеспечивающий корректность интерпретации связанных данных в разнородных средах.

НПИ представляет собой комплекс принципов и методологических рекомендаций для достижения интероперабельности на национальном уровне [5]. НПИ должен определять организационные, семантические и технические аспекты обеспечения интероперабельности. Уровень готовности технологии (УГТ) оценивается по девятиуровневой шкале от фундаментальных исследований (УГТ 1) до успешного применения в продуктивной среде (УГТ 9), в соответствии с методикой [7], гармонизированной со стандартом [17].

Различие между интероперабельностью, как свойством систем, и ТОИ, как технологией её обеспечения, структурно аналогично соотношению «свойство: технология его обеспечения». При этом безопасность, как свойство систем, обеспечивается технологиями информационной безопасности, включёнными в ПСТ в разделе критических технологий [1]; транспортная доступность обеспечивается технологиями транспортного уровня; энергоэффективность обеспечивается технологиями энергосбережения. Интероперабельность признана критически важной в десятках нормативных правовых актов и национальных стандартов, но технология её обеспечения в ПСТ отсутствует.

Если интероперабельность трактовать как свойство, то обеспечение интероперабельности становится задачей каждого отдельного ведомства. Такой подход приводит к фрагментации на технологическом уровне: каждое ведомство создаёт собственные локальные решения, которые оказываются несовместимы друг с другом. Формулировка «технология (направление)» в тексте закона [6] подчёркивает допустимость включения в ПСТ как устоявшихся инженерных решений, так и формирующихся научно-технологических направлений.

В [2] представлена последовательность применения организационных инструментов для решения проблемы интероперабельности. ТОИ определяет конкретное инженерное содержание: алгоритмы, программные средства и производственные процессы, обеспечивающие автоматизированное семантическое согласование. ТОИ является практической реализацией стандарта [2], без которой его методологические положения остаются декларативными.

3    Семантическая паутина в технологии обеспечения интероперабельности

Проблема семантической несовместимости ИС отражает технологический переход от синтаксического веба, построенного на принципе связанных документов, к семантическому вебу, основанному на принципе связанных данных [18]. Принципиальное ограничение синтаксического веба состоит в том, что смысловое содержание размещённых в нём данных остаётся машинно-неинтерпретируемым: веб-страницы предоставляют текст и структурированные форматы, но не содержат формальных спецификаций смысла.

Фундаментальный научный вызов состоит в противоречии: экспоненциальный рост объёмов разнородных машиночитаемых данных (в форматах JSON, XML, RDF и др.) сопровождается экспоненциальным ростом семантической неоднородности [19, 20 и др.].

Технологический фундамент семантического веба образуют стандарты Консорциума Всемирной паутины (W3C) [21]. Ключевыми из них являются (см. рисунок 2): RDF ( Resource Description Framework ), представляющий информацию в виде триплетов «субъект-предикат-объект»; OWL ( Web Ontology Language ), обеспечивающий применение дескрипционных логик для формализации онтологий; SPARQL - язык запросов к RDF -графам; SHACL для валидации RDF -данных; SWRL для правил логического вывода. Реализация принципов семантического веба получила развитие в [18]: использование URI как идентификаторов объектов; использование HTTP-URI для их доступности; предоставление информации в стандарте RDF ; включение ссылок на URI других объектов, обеспечивающее связность данных.

Семантический веб активно внедряется в практику, и для обеспечения обмена данными используются онтологии [22]. В корпоративном секторе базы знаний, построенные на технологиях семантического веба, стали стандартной инфраструктурой крупнейших технологических компаний. Использование открытых международных стандартов, как технической основы, не противоречит задаче обеспечения технологического суверенитета: аналогично национальным технологиям искусственного интеллекта (ИИ), реализуемым с опорой на открытые фреймворки, ТОИ может строиться на открытых стандартах W3C с национальной спецификацией профилей и онтологий.

Стандарты W3C семантического веба

Linked Open Data (Applications)

SWRL (Rules)

SHACL (Validation)

SPARQL (Query)

OWL 2 (DL-based)

RDF / RDFS

URI / IRI

Технология обеспечения интероперабельности л                    \

Автоматизированное онтологическое отображение V                 ^

'\

Формальная верификация семантических мостов -J

/\

Автоматизированное семантическое согласование

Рисунок 2 – Стандарты W3C и технологии обеспечения интероперабельности

Регламент [23] закрепляет обязательства государств по обеспечению интероперабельности публичных цифровых сервисов, включая семантический уровень. В РФ аналогичные тенденции закреплены в документах [24-26], в которых содержится требование обеспечения семантической интероперабельности в ИС. Разработана методология, включающая модели интероперабельности [12], подходы к профилированию [27], стандартизацию национальных рамочных конструкций [5] и онтологическое отображение в прикладных областях [28, 29].

Онтологии непрерывно эволюционируют, что при десятках ПрО делает ручной подход к изменению их отображений практически неосуществимым. ТОИ нацелена на практическое, формально-верифицируемое согласование в конкретных отраслевых контекстах.

Роль ТОИ в процессе перехода к семантическому вебу раскрывается через три фундаментальные функции.

Автоматизированное онтологическое отображение. На практике ПрО используют различные, зачастую несовместимые онтологии. Например, понятие «пациент» в единой государственной ИС в сфере здравоохранения (ЕГИСЗ) [30] и в региональных медицинских ИС может иметь различный набор атрибутов и связей. Автоматизированное онтологическое отображение устанавливает формальные соответствия (эквивалентность или включение) между сущностями разнородных онтологий, обеспечивая возможность автоматического преобразования данных при сохранении их смысла.

Формальная верификация семантических мостов. Семантические мосты могут порождать логические противоречия (нарушение непротиворечивости, консистентность), что делает их использование недопустимым в критических применениях. ТОИ должна обеспечить автоматическую проверку непротиворечивости результирующей онтологии средствами де-скрипционных логик O_r U ВОО_г,О₂ ) U О₂ № 1, где B ( O 1 , O ₂) - семантический мост между онтологиями; ⊭ – знак невыводимости; ⊥ – логическое противоречие.

Автоматизированное семантическое согласование. При объединении данных из разнородных источников неизбежны конфликты интерпретации. Автоматизированное семантическое согласование разрешает или усиливает такие конфликты, обеспечивая корректность результирующего представления данных [31].

4    Межотраслевой характер и наукоёмкость

Каждая отрасль формирует собственную терминологическую систему, онтологии и стандарты обмена данными [32]. В таблице 1 представлены приоритетные отрасли для примене- ния методов ТОИ с указанием характера семантического разрыва и соответствующей потребности в компонентах технологии. Свидетельством межотраслевого характера ТОИ является структурный изоморфизм: задача обеспечения взаимодействия для любой пары систем сводится к одной и той же фундаментальной проблеме выравнивания онтологий [33].

Таблица 1 – Приоритетные отрасли для применения технологии обеспечения интероперабельности

Отрасль	Семантический разрыв	Потребность в ТОИ
Здравоохранение	Несовместимость концептуальных моделей ЕГИСЗ [30] и региональных медицинских ИС	Онтологическое отображение медицинских терминов; верификация семантических мостов
Государственное управление	Различие ведомственных моделей данных; отсутствие семантического слоя в СМЭВ [13, 34]	Профили интероперабельности для модернизации СМЭВ
Промышленность	Несогласованность моделей; отсутствие производственных онтологий [32, 35]	Автоматизированное отображение производственных онтологий
Транспорт	Терминологические различия между подсистемами; отсутствие транспортной онтологии [36]	Единая транспортная онтология; профили мультимодальных перевозок
Финансовый сектор	Несовместимость форматов отчетности; различие семантики транзакций [37, 38]	Онтологическое отображение финансовых терминов
Оборона	Несовместимость моделей; семантические разрывы в сетецентрических системах [28, 29, 39]	Профили интероперабельности для сетецентрических систем

Формально изоморфизм проявляется в том, что задача обеспечения взаимодействия для любой пары систем из таблицы 1 сводится к установлению отношения эквивалентности (≡) или включения (⊆) между сущностями двух онтологий. Например, в финансовом секторе стандарты [38] и форматы Банка России [37] задают синтаксис обмена, но не обеспечивают семантическую совместимость каталогов финансовых продуктов; в транспортной отрасли аналогичная проблема возникает при согласовании онтологий логистических и портовых операторов [36]; в здравоохранении «Пациент» в онтологии ЕГИСЗ O 1 соответствует «Зарегистрированному лицу» в онтологии региональной медицинской ИС O 2 , что требует вывода аксиомы O 1 :Пациент ≡ O 2 :Зарегистрированное_лицо. Это единство метода, инвариантного к ПрО, позволяет квалифицировать ТОИ как сквозную технологию.

Существует также провал координации между государственными заказчиками: каждое ведомство не заинтересовано в выделении средств на решение задач, полезный эффект от которых будет распределяться между всеми ведомствами. Включение ТОИ в ПСТ способно сформировать принципиально новый рынок услуг в области семантической интероперабельности для государственных и корпоративных ИС.

Научный фундамент ТОИ объединяет математическую логику [15], информатику, системную инженерию [40, 41] и информационное право [23]. Для признания наукоёмкости, согласно [7] требуется соответствие хотя бы одному из критериев. Научный фундамент ТОИ удовлетворяет всем четырём: требует специфических знаний, подтверждаемых наличием профильных научных школ; признан научным сообществом (см. например, [12]); содержит новые закономерности междисциплинарного характера; создаёт охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (см. например, [42, 43]). Дополнительным подтверждением служит участие школы ПК-206 в [22].

Необходимость государственной поддержки ТОИ обусловлена разрывом между текущим УГТ и уровнем, необходимым для промышленного внедрения. Основные компоненты ТОИ находятся в диапазоне УГТ 3–5 (таблица 2), что соответствует стадии формирующегося направления: лабораторные прототипы продемонстрировали работоспособность в контролируемых условиях, но промышленное внедрение не достигнуто. Целевой УГТ 7–8 соответствует промышленной зрелости и успешной апробации в реальных условиях.

Таблица 2 – Оценки уровня готовности технологий для технологии обеспечения интероперабельности

Компонент ТОИ	Текущий УГТ	Описание состояния	Целевой УГТ
Онтологическое отображение	4–5	Лабораторные прототипы; верификация на 3–4 предметных областях	7–8
Формальная верификация семантических мостов	4	Методы разработаны; апробация на модельных данных	7
Профили интероперабельности	5	Эталонные профили для двух отраслей; частичная стандартизация	8
Автоматизированное семантическое согласование	3–4	Концептуальная модель и прототип алгоритма	7
Интегрированная платформа ТОИ	3	Архитектура спроектирована; компоненты не интегрированы	8

Наличие разрыва между текущим УГТ 3–5 и целевым УГТ 7–8 является индикатором объективной потребности в целенаправленных НИОКР. Включение технологий на ранних стадиях зрелости имеет международную практику: в программе [44] УГТ 5–6 рассматривается как типичная точка входа для инновационных проектов, а в [45] УГТ 4–6 характеризуется как зона концептуального доказательства. Оценки УГТ приведены в соответствии с методикой, утверждённой [7] и гармонизированной с [17].

Переход от УГТ 3–5 к УГТ 8 требует преодоления четырёх разрывов: 1) масштабирование автоматизированного согласования онтологий с 3–4 до 10–15 ПрО; 2) разработка процедур верификации семантических мостов с формальными гарантиями корректности; 3) создание алгоритмов автоматизированного семантического согласования для конфликтных ситуаций в отраслевых контекстах; 4) разработка метрик и инструментов мониторинга интероперабельности. Согласно [7] перспективность обосновывается глобальным вектором эволюции информационной инфраструктуры в сторону семантического веба и соответствием [46]. По мере роста объёма машиночитаемых данных семантическая несовместимость будет обостряться, что делает инвестиции в ТОИ стратегически оправданными.

5    Нормативная база

Проведённый анализ свидетельствует о наличии обширной, но несогласованной нормативной базы, требующей систематизации на основе единой технологической платформы путём разработки ТОИ. Например: в [47] констатируется необходимость «разработки форматов интероперабельности с международными эквивалентами» без указания конкретных технологических средств; в [48] в качестве требования указано «Обеспечение семантической интероперабельности с внешними медицинскими ИС», но без определения метода обеспечения; в [49] создана правовая основа информационного обмена конкретных требований к семантической составляющей; в [50] технические требования к взаимодействию в СМЭВ включают требования к профилям интероперабельности без указания единой технологической платформы; в [3] предписано обеспечивать цифровые платформы равным и беспрепятственным доступом пользователей, что предполагает семантическую совместимость каталогов товаров и услуг без указания механизма её достижения.

В проектах законов [4, 51] наращиваются обязательства в сфере интероперабельности, но технологический инструментарий их реализации отсутствует.

Регламент [23] является обязывающим нормативным актом, регулирующим интероперабельность публичных цифровых сервисов на наднациональном уровне. Оценки [52] показывают, что совокупные издержки от фрагментации и несовместимости в различных областях могут составлять значительные макроэкономические величины и не могут игнорироваться при формировании технологической политики. ЕС перешёл от рекомендаций к обязыванию, тогда как в РФ рамочная конструкция остаётся добровольной и не подкреплена механизмами контроля. Аналогичная тенденция наблюдается в странах БРИКС.

ТОИ может стать экспортно-ориентированной технологией для трансграничных цифровых экосистем БРИКС [53], что коррелирует с задачей технологического суверенитета [54].

Законами [6, 55] создаётся правовое пространство для тестирования инновационных технологий без необходимости немедленного изменения общего регулирования. Это соответствует принципам регуляторной политики [56] и достаточно для поэтапного масштабирования ТОИ без дополнительного изменения законодательства.

6    Архитектурная интеграция

ТОИ является горизонтальной технологией-интегратором и создаётся для обеспечения бесшовной семантической интеграции данных. Указанные в таблице 3 технологии оперируют интерпретированными данными и без формализованного семантического слоя не могут обеспечить корректность взаимодействия. Например, для цифровых двойников [57] требуется семантическое согласование моделей изделий, а для распределённых реестров [58] – интероперабельность смарт-контрактов.

Таблица 3 – Сквозные технологии, для которых семантическое согласование критично

Сквозная технология	Признаки критичности	Функционал ТОИ
Технологии ИИ	Семантическое согласование обучающих данных	Онтологическое отображение источников; верификация семантических мостов
Технологии кибербезопасности	Интероперабельность систем обнаружения вторжений	Профили интероперабельности для платформ обмена информацией о киберугрозах
Цифровые двойники	Онтологическое отображение моделей предметных областей	Автоматизированное отображение онтологий; верификация корректности интеграции
Технологии распределённых реестров	Интероперабельность смарт-контрактов между платформами	Профили для межплатформенных транзакций; семантические мосты
Робототехника	Семантическая интероперабельность гетерогенных робототехнических систем	Профили интероперабельности для межплатформенного взаимодействия

Для перехода от текущего УТГ 3–5 к целевому УТГ 8 требуется выполнение НИОКР (см. таблицу 4). Представленная дорожная карта и бюджетные оценки являются индикативными и составлены на основе экспертных заключений и анализа международного опыта.

Таблица 4 – Дорожная карта реализации программы НИОКР

Этап	Период	Цель	Ключевые задачи	Целевой УТГ	Бюджет (млн руб.)
I. Фундаментальные исследования и прототипирование	2026–2028	Создание научного задела и лабораторных прототипов	Разработка методов автоматизированного онтологического отображения; верификация на 3–4 предметных областях	5–6	120–160
II. Прикладные разработки и пилотирование	2028–2030	Демонстрация работоспособности	Масштабирование на 10–15 предметных областей; пилотное внедрение через СМЭВ	6–7	230–310
III. Стандартизация и промышленное внедрение	2030–2032	Достижение промышленной зрелости	Разработка 5–7 стандартов; внедрение в федеральные платформы; формирование рынка услуг	8	185–310

Целевыми ориентирами являются показатели, предусмотренные для сквозных технологий [7, 59, 60]: к концу этапа III обеспечить автоматизированное семантическое согласование для не менее чем 10–15 ПрО, снизив зависимость от зарубежных решений. Архитектурная интеграция со СМЭВ [34] предполагает двухуровневую модель: СМЭВ обеспечивает транс- портный уровень, ТОИ реализует семантический уровень. Интеграция реализуется путём добавления семантического сервиса: на этом уровне предлагается развернуть модуль автоматизированного семантического согласования, разрешающий конфликты интерпретации в реальном времени. Следует разграничить ТОИ и Национальную систему управления данными (НСУД) [61]: функционал НСУД сосредоточен на каталогизации и паспортизации данных, тогда как ТОИ формирует отсутствующий семантический слой над инфраструктурой НСУД, предоставляя возможность автоматизированного согласования смысла каталогизированных данных. НСУД отвечает на вопрос: «Какие данные есть?»; ТОИ – на вопрос: «Что они значат в контексте иной ПрО?»

Заключение

Проведённый анализ позволяет сформулировать основные выводы.

• ■    Проблема интероперабельности носит преимущественно семантический характер, смысловое согласование данных между разнородными системами остаётся ручным и неконтролируемым.

• ■    ТОИ удовлетворяет квалификационным критериям сквозной технологии, установленным [6, 7]. Ведомства не заинтересованы в самостоятельном финансировании ТОИ: полезный эффект от семантического согласования распределяется между всеми участниками обмена, что обусловливает необходимость системной государственной поддержки.

• ■    ТОИ является горизонтальной технологией-интегратором для существующих сквозных технологий, обеспечивая семантическую совместимость данных.

• ■    Включение ТОИ в ПСТ является необходимым условием эффективной цифровой трансформации экономики и государственного управления.

Настоящее исследование имеет ряд ограничений: анализ межотраслевой фрагментации основан на шести отраслях и не претендует на исчерпывающую полноту; оценка УТГ основана на экспертных оценках, и требуется её формализованная верификация.