Онтологический инжиниринг для поддержки принятия стратегических решений в энергетике

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева (ИСЭМ СО РАН) проводит исследования в области развития и функционирования отраслевых систем энергетики (СЭ) и топливно-энергетического комплекса (ТЭК) в целом [1]. Важной составляющей этих работ являются исследования проблем энергетической безопасности (ЭБ) и её влияния на развитие ТЭК. В современных условиях приобретает особую значимость задача оценки влияния стратегических угроз ЭБ на развитие ТЭК и СЭ, а также выработка решений в условиях экстремальных ситуаций [2]. Это требует интеграции разных направлений исследований – региональных проблем энергетики, взаимосвязей энергетики и экономики, СЭ, стратегий развития энергетики с учётом требований ЭБ и других. Для этого необходима координация информации, используемых моделей и данных, что может быть обеспечено единым онтологическим пространством знаний, образуемым совокупностью взаимосвязанных онтологий.

Онтологии используются как средство выявления и структурирования основных понятий и взаимосвязей в исследуемой предметной области (ПрО). В лаборатории информационных технологий в энергетике ИСЭМ СО РАН разработан ряд онтологий для формального описания исследуемых отраслей энергетики, компонентов интеллектуальной системы, программ- ных комплексов и других [3, 4]. Актуальной является разработка системы онтологий для обеспечения взаимосвязей и согласованности исследований, т.е. выполнение онтологического инжиниринга для поддержки принятия стратегических решений в энергетике, связанных с развитием СЭ и ТЭК в целом с учётом требований ЭБ.

1    Ситуационное управление в процессе поддержки принятиястратегических решений в энергетике

Под процессом принятия стратегических решений в энергетике понимается формирование и обоснование выбора направлений деятельности по достижению и поддержанию бездефицитного снабжения потребителей всеми необходимыми топливно-энергетическими ресурсами на долгосрочную перспективу. Этот процесс связан с проблемой исследования критических инфраструктур, ЭБ и обеспечения надёжности энергоснабжения потребителей. Актуальность подобных исследований возрастает в связи с ростом угроз кибернетической безопасности, обусловленным, в свою очередь, развитием тенденции интеллектуализации СЭ.

В лаборатории информационных технологий ИСЭМ СО РАН обоснована возможность использования принципов и методов ситуационного управления, предложенных в работах [5–8], для поддержки принятия решений, в частности, при разработке стратегий развития энергетики России. Использование ситуационного подхода позволяет обеспечить обоснованный выбор, обработку и оценку необходимой информации при принятии решений как для управления объектами энергетики, так и в исследованиях энергетики [9]. Гибкость такого подхода даёт возможность использовать экспертные знания и механизмы рассуждений.

Поскольку системы энергетики относятся к объектам управления, обладающим такими свойствами, как уникальность, неполнота описания, динамичность и др., то для них необходимы не только описание структуры объекта, но и учёт изменения во времени под воздействием внешних и внутренних факторов, а также влияния поведения людей.

Используя принципы ситуационного управления, можно формализовать описание ситуаций, формирующихся на объектах энергетики при реализации потенциальных угроз. Это даёт возможность визуализировать и в более наглядной форме исследовать факторы, влияющие на работу объектов энергетики на разных уровнях и выявлять критические ситуации (КС). Анализ сочетания КС и их развитие могут приводить к чрезвычайным ситуациям (ЧС), что также можно предусмотреть на этапе исследований.

При разработке стратегий развития энергетики одним из аспектов является исследование надёжности СЭ и обеспечения ЭБ. Основными задачами при этом являются:

• ■    оценка состояния СЭ и ТЭК в целом;

• ■    выявление «узких мест» в энерго- и топливоснабжении потребителей;

• ■    прогнозирование условий функционирования и развития СЭ и ТЭК;

• ■    выбор мер по предотвращению возможных КС и ЧС;

• ■    выбор альтернатив функционирования этих систем для снижения негативного воздействия влияющих на них факторов.

Для решения этих задач требуются выявление и анализ потенциальных стратегических угроз с учётом их взаимосвязей, взаимовлияния, вероятностей и масштабов их проявления, а также обоснование соответствующих мер, обеспечивающих предотвращение реализации угроз, устранение или минимизацию последствий [10].

Общая схема исследований проблем ЭБ состоит в оценке текущего состояния ТЭК, учёте возможных сценариев угроз ЭБ, подборе соответствующих управляющих воздействий (превентивных, оперативных или ликвидационных мероприятий) для поддержания или перехода к нормальной (целевой) ситуации.

С учётом современной трактовки ситуационное управление основывается на понятиях ситуации, классификации и преобразовании ситуаций. Введены понятия текущей ситуации , как совокупности текущего состояния объекта и его внешней среды, и полной ситуации , включающей текущую ситуацию и цель управления. Цель управления представляется в виде некоторой целевой ситуации, к которой можно привести текущую ситуацию, используя управляющие воздействия. Проблема выбора управляющих воздействий сводится к адекватной оценке состояния объекта и среды.

2    Онтологический инжиниринг

Понятие инжиниринга имеет, в зависимости от рассматриваемой ПрО, разные определения и аспекты рассмотрения. Понятие онтологического инжиниринга относится к инженерии знаний – разделу инженерной деятельности, направленной на использование знаний в компьютерных системах для решения сложных задач [11]. Онтологический инжиниринг – процесс проектирования и разработки онтологий, объединяющий две основные технологии проектирования сложных систем – объектно-ориентированный и структурный анализ. Он включает выявление основных классов сущностей в описании реальных взаимодействующих процессов, отношений между этими классами, а также совокупности свойств, которые определяют их изменение и поведение во взаимодействии [12, 13]. Большое внимание онтологическому инжинирингу уделяется в зарубежных работах [14–18].

Целями онтологического инжиниринга являются повышение уровня интеграции информации, необходимой для принятия управленческих решений, повышение эффективности информационного поиска, предоставление возможности совместной обработки знаний на основе единого семантического описания пространства знаний.

Для практического использования на заключительных этапах разработки онтология должна включать так называемые экземпляры (сущности) созданных классов с конкретными значениями их свойств, описывающие реальное отображение рассматриваемой ПрО.

• 2.1    Онтологический инжиниринг ситуационного управления

Ситуационное управление предлагается использовать для поддержки принятия решений при разработке стратегий развития энергетики России, в частности, для исследования экстремальных ситуаций, на примере проблем ЭБ. При построении онтологического пространства знаний, под которым мы понимаем систему онтологий, описывающих понятия рассматриваемой ПрО, используется фрактальный подход [19], предполагающий введение метауровней и переход от метаонтологий к детальным онтологиям отдельных концептов метаонтологий. На рисунке 1 представлена метаонтология ситуационного управления, отражающая базовые понятия, связанные с понятием «Ситуационное управление», такие, как «Ситуация» и «Управляющее воздействие», а также другие основные взаимосвязанные понятия. Из рисунка 1 видно, что лицо, принимающее решение (ЛПР), выбирает, используя методы ситуационного управления, необходимое управляющее воздействие на объект управления с учётом анализа ситуации и влияния внешней среды.

В качестве основных методов ситуационного управления рассматриваются ситуационный анализ, ситуационное моделирование и визуальная аналитика. На рисунке 2 представлена онтология ситуационного анализа, задачей которого является выявление параметров и существенных факторов, определяющих ситуацию, взаимосвязи между факторами и степени их взаимовлияния. В процессе ситуационного анализа исследуются структура, функции, состояние объекта управления, а также состояние и факторы внешней среды с точки зрения их связи с этим объектом.

Рисунок 1 –Метаонтология ситуационного управления

Ситуационное моделирование заключается в моделировании ситуаций и переходов из одной ситуации в другую с использованием комплекса других средств моделирования, как показано на рисунке 3.

Используемые в ситуационном моделировании математические и семантические модели в комплексе позволяют описывать знания о ситуации, отражать причинно-следственные связи между влияющими факторами и их последствиями и моделировать развитие ситуаций с учётом происходящих событий.

Рисунок 2 – Онтология ситуационного анализа

Рисунок 3 - Онтология ситуационного моделирования

• 2.2    Онтологии для описания ситуаций

• 2.3    Пространство знаний для ситуационного управления в энергетике

Понятие ситуации является ключевым в ситуационном управлении. В ранних работах ситуацию отождествляли с состоянием. В дальнейшем это понятие было расширено Д.А. Поспеловым: «текущая ситуация - совокупность всех сведений о структуре объекта и его функционировании в данный момент времени» [5]. Авторы полагают, что задачей ситуационного анализа является выявление параметров и существенных факторов, или обстоятельств, определяющих ситуацию, взаимосвязи между факторами и степени их взаимовлияния. Под ситуацией понимается совокупность обстоятельств, определяющих внутреннее состояние объекта или системы, и обстоятельств, определяющих состояние окружающей среды по отношению к данному объекту или системе. Первые обстоятельства описываются параметрами, характеризующими состояние системы, вторые - условиями окружающей среды или существенными факторами, влияющими на развитие системы.

В наиболее общем виде описание ситуации можно представить как описание основных параметров объекта управления, по отношению к которому рассматривается ситуация, а также внешних и внутренних факторов, влияющих на объект. Окружающая среда и объект имеют свойства, значения которых определяют их состояние, а состояния, в свою очередь, определяют конкретную ситуацию. Онтология на рисунке 4 отражает это определение и демонстрирует взаимосвязи, которые необходимо учитывать при оценке ситуации и выборе управляющих решений в частности при принятии стратегических решений по развитию ТЭК с учётом требований ЭБ.

Знания, необходимые для решения проблем ситуационного управления, группируются в виде пространства компонентов, объединённых общими задачами и целями разработки, формально описанного некоторой системой онтологий. Под пространством знаний для ситуационного управления в энергетике понимается совокупность необходимых формализованных знаний о ситуации, в которой функционирует объект управления, свойствах или характеристиках этого объекта, факторах (внешних и внутренних), влияющих на его функциони- рование, а также о связях между факторами и управляющими воздействиями, необходимыми для принятия решений в исследованиях энергетики [3].

Рисунок 4 – Онтология ситуации с позиций исследования проблем ЭБ

Онтологическая модель пространства знаний рассматривается как совокупность онтологий разного уровня в сочетании с языком описания для их совместной обработки. Основными понятиями, имеющими отношение к ситуационному управлению, являются объект и субъект управления. Субъектом управления является ЛПР, использующее ситуационное управление при выборе управляющих воздействий. Представленные онтологии ситуации, ситуационного анализа, ситуационного моделирования дают представление об основных компонентах формируемого пространства знаний, используемых методах, факторах и других понятиях. Связующим звеном всех компонентов пространства знаний является разрабатываемый язык описания и управления знаниями CML (Contingency Management Language) и его элементы, такие, как словари и операторы [9]. CML включает средства описания знаний и средства манипулирования знаниями для обмена знаниями и вызова необходимых программных компонентов на том или ином этапе ситуационного анализа и моделирования и, тем самым, связывает описания знаний с соответствующими программными модулями, реализующими модели и методы ситуационного управления.

Сценарий рассматривается как заранее подготовленная последовательность действий, событий или предположений о развитии процесса или явления. Онтологию сценария можно представить как объединение начальной ситуации, некоторой последовательности событий или влияющих воздействий и конечной ситуации (цели).

На рисунке 5 представлена онтология, отражающая основные компоненты пространства знаний, необходимых для ситуационного управления в энергетике. Знания, необходимые для описания ситуаций и реализации ситуационного управления, включают:

• ■    знания об объекте, его свойствах и состоянии;

• ■    знания о факторах и состоянии внешней среды;

• ■    знания о методах и моделях ситуационного управления;

• ■    знания о программных средствах и компонентах;

• ■    накапливаемые знания в виде описания прецедентов, когнитивных и событийных моделей, сценариев, описания данных для математических моделей и т.д.

Соответственно, компоненты онтологического пространства знаний можно разделить на несколько групп. Во-первых, это понятия, связанные с объектом, субъектом, факторами внешней среды и их характеристиками, которые можно представить онтологиями ПрО энергетики; во-вторых, описания моделей и методов ситуационного управления в соответствующих онтологиях; в-третьих, описания программных модулей и, наконец, накапливаемые знания в виде онтологий, когнитивных карт, событийных, математических и других моделей.

3    Использование онтологий для обоснования решенийпри разработке стратегий развития энергетики

Онтологии, представленные в графическом виде, относятся к категории так называемых «лёгких», или эвристических онтологий и используются главным образом для работы с экспертами ПрО при выборе основных используемых понятий и для наглядного представления всех необходимых взаимосвязей между ними.

При реализации разрабатываемого прототипа интеллектуальной системы для стратегического ситуационного управления развитием критических инфраструктур на примере энергетической инфраструктуры требуется формальное описание знаний, формирование базы знаний, содержащей не только классы, представленные графическими онтологиями, но и объекты (сущности) или экземпляры, созданные на базе этих классов. Экземпляры имеют соответствующие характеристики или параметры, конкретные значения которых отражают фактическое состояние исследуемых энергетических объектов в рассматриваемой ситуации. На данном этапе исследований предложено представление онтологий в текстовом формате XML, обеспечивающем интеграцию разнородных компонентов разрабатываемой системы.

Для обоснования стратегических решений в энергетике с использованием онтологий требуется дополнить базу знаний правилами, обеспечивающими логический вывод. Например, при моделировании КС в исследованиях проблем ЭБ основными показателями, характеризующими отрасли ТЭК, являются объёмы подачи газа, поставки топочного мазута, поставки угля, пропускная способность объектов транспорта и другие, представленные на рисунке 6.

Основное содержание правил вывода состоит в фиксации и сравнении предельных значений показателей на разных уровнях ТЭК (по объектам, территориям, отраслям и др.), нарушение которых влияет на ситуацию в топливо- и энергоснабжении. Факторы и степень их влияния, а также численные значения возможных изменений этих показателей задаются экспертами. Размер отклонений от предельно допустимых значений характеризует ситуацию, позволяет отнести её к определённому классу и предусмотреть управляющие воздействия.

Заключение

Онтологический инжиниринг в области ситуационного управления способствует структуризации основных понятий и разработке методологических основ этого направления. Также он может служить основой для обоснования необходимости разработки систем поддержки принятия решений, как инструментов ситуационного управления в энергетике. В целом онтологический инжиниринг обеспечивает повышение уровня интеграции информации, не- обходимой для принятия управленческих решений, повышение эффективности информационного поиска, предоставление возможности совместной обработки знаний на основе единого онтологического пространства знаний.

'                                                                                                                                         Субъект

Управляющее                                                                                                        .

Рисунок 5 – Модель пространства знаний для ситуационного управления в энергетике

в оздейстие   4-----------------выби рвет

(мероприятие)                                        /^—^—— Ситуационное 4^ г \                                                      управление \                              * \                    моделирует         Визуальная _является \                                       аналитика методом (сценарии! предлагает             .-----------~ ' .   —^К       \            _ Программный      Ситуационное    Ситуационным f     \       \ я611”6™^ компонент       моделирование        анализ

использует----- л ПР) —4--  —i— Экспертная оценка           обеспечивает (мониторинг,                   1 индикативный _          /---- анализ)        Учитывает^ Це„ь ---------i-------е              <ЭЕ> X             1 J изучает учитывает     отражает       Т аляяет состояние        ( --------------х        X имеет цель

( онтологии ) \         Экспертная'        1 \ использует 1 4         \         система           /    \ Г \    \     ----- ;------ является \ Когнитивные \ \      / (ontoMapj//      \ карты     \ \          у     /        \ I/      К       / / /---Ц     \ // / /                     / СодМар          \ Событийные                                    \ । модели <—используют----/Н       \ fry г -------к1              X- 1 EventMap           \ ' г                        \ х        описывают / математические                \ >----1— модели                            Bay Net         \ М/           Онтологии          ( ПК "ИНТЭК")     \ ключают          *№лей.тг методов                       ---!--- С                                                ^Онтологии ПК \ включают               ^пользует           ^ \      /                      HUiUHbdyei       использует Описания __________ " - / 1 \ знаний             включает —■------------ CML 1-----

включает классифицирует Характеристика           X     i \        (параметр, \         1 r г          имеет 1                1 \       показатель,                     лб-кАкт \               /      свойство иоъект /—----------ч      \     индикатор)               (НОу зс ЭО1 Онтологическое         \ 4-------:——---'                           , моделирование         \      | л                  4 4 ---п-г—----—Характеризует              /   । X             \    । А               / влияет ----Ч                                                       ------ Когнитивное X            \ L \                Среда моделирование                          >          / (Внешняя среда, ---"ТГ"----- моделируют^Г Ситуация 1 \       / внутренние 1                /      факторы) Событийное /             ^х\ //^ моделирование                    '      описывают _____ _____J             влияет / ^ /      --- ” “у Матаматическое               Фактор моделирование          (угроза, событие) ____ использует---------------> ^ онтологи и ПрО j

Рисунок 6 –Взаимосвязи угроз энергетической безопасности и основных характеристик объектов ТЭК

Результаты, изложенные в статье, получены при частичной финансовой поддержке грантов РФФИ № 16-07-00474 и № 16-07-00569.