Государственный университет «Дубна» Кафедра «Системного анализа

Государственный университет «Дубна» Кафедра «Системного анализа и управления» Магистерская программа «ГИС-технологии и принятие решений» д. т. н. , профессор Спивак Лев Феликсович levspivak@mail. ru моб. : 9164883249

Типы сложных систем • Практика управления имеет дело с тремя типами сложных динамических систем: - технологическими процессами; - организациями; - территориями. Для автоматизации управления этими системами создаются: - Автоматизированные системы управления технологическим процессами (АСУТП) - Автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП) - Автоматизированные системы управления развитием территории (АСУРТ).

В историческом разрезе задачи управления территориями были сформулированы еще во времена Платона, задачи управления предприятиями - возникли значительно позже, а задачи управления технологическими процессами – являются самыми молодыми (ХХ век). В тоже время успехи в уровне автоматизации функций управления этими системами имеют прямо противоположную тенденцию. На сегодняшний день практически все технологические процессы в той или иной мере автоматизированы. Практически на каждом предприятии имеется свои автоматизированные системы управления. А вот примеров успешно функционирующих АСУРТ – очень мало. Этот парадокс объясняется, главным образом, различием в сложности объектов и задач управления.

Специфика АСУРТ В пределах территории функционирует множество организаций, каждая из которых преследует свои АСУРТ собственные интересы и выгоды. Персонал организаций связан, прежде всего, совместной деятельностью и общими корпоративными целями, такими как прибыль, расширение рынков сбыта, технологическое АСУП , , , АСУП развитие и др. Население территорий связано, прежде всего, совместным обитанием. Для многих из них важнее качество среды обитания, АСУ ТП исторические традиции и пр.

Процесс принятия решений по управлению территорией всегда поиск компромисса различных интересов, часто по принципу выбора наименьшего из зол. Теории управления территорией нет. При принятии решений руководители территорий могут опираться только на свой опыт или на советы великих предшественников. Они практически всегда находятся в условиях неопределенности и, как правило, не могут предвидеть не только отдаленных, но и краткосрочных последствий своих решений. В лучшем случае они могут получить информационную поддержку в виде списка рекомендаций с анализом возможных последствий. Возможности использования метода аналогий крайне ограничены. Оценить сходство ситуаций очень сложно. Роль руководителя (ЛПР) чрезвычайно важна. При одних руководителях территории благоденствуют, при других – приходят в упадок.

Иерархия территорий Страна Область Район/Город ОС и ПР СЭИ Население

Теоретические основы управления территорией Следует различать два вида задач управления : -управление ресурсами территории -управление развитием территории Задачи управления ресурсами предполагают разумное использование имеющихся ресурсов ( включая природные ресурсы, промышленный потенциал и население). Задачи управления развитием территории предполагают целенаправленное изменение качества или количества ресурсов (развитие городов, промышленных зон и технопарков; расширение площади лесов или с/х угодий; улучшение экологического состояния ОС, повышение уровня образования и здравоохранения населения и т. д. ). Существует два подхода к решению этих задач: на основе централизованного планирования и с помощью рыночных механизмов.

• Разумное использование и устойчивое развитие ресурсов территории являются сегодня наиболее приоритетными задачами местных органов управления. • К сожалению, качество решения этих задач в большинстве регионов России оставляет желать лучшего. Ключевые направления повышения эффективности управления территориями : - внедрение современных методов и интеллектуальных технологий поддержки принятия решений; - повышение квалификации специалистов, отвечающих за поддержку принятия решений. В первую очередь, речь идет о районных и муниципальных администрациях

Схема информационных потоков ТСЦ В настоящее время во многих регионах России создаются территориальные ситуационные центры (ТСЦ), призванные обеспечивать информационно- аналитическое обслуживание органов управления. Наиболее перспективной является «трехэтажная» архитектура ТСЦ. СЦУРТ фактически выполняет роль «интеллектуального шлюза» между системой мониторинга и ЛПР.

Современный подход к созданию динамических пространственных моделей территории базируются на использовании геоинформационных систем (ГИС). ГИС служит информационным фундаментом, на котором выстраиваются интерактивные сервисы и аналитические средства поддержки принятия решений (ППР).

ТСЦ создаются на базе федеральных и региональных вузов помещения, кадры и необходимая для успешного старта материальная база возможность привлечения специалистов, хорошо знающих местные условия и задачи возможность гибкого формирования коллективов из профессионалов высокой квалификации в различных областях знаний (как преподавателей так и студентов) существенные льготы приобретении дорогостоящего оборудования, программного обеспечения ГИС и обработки космических снимков укрепление престижа и научно-технического потенциала ВУЗов повышение качества подготовки молодых специалистов для работы в областных, районных и муниципальных органах, совмещение процессов обучения и решения актуальных практических задач привлечение финансовых средств из местных бюджетов, в частности, по программам инновационного развития.

На базе лаборатории ГИС ИСАУ университета «Дубна» также создается пилотный проект ТСЦ ориентированного на три уровня управления: Московская область, Дмитровский район, город Дубна В реализации проектов принимают участие магистранты и аспиранты ИСАУ

ИЕРАРХИЯ ФУННКЦИЙ и информационно-аналитическое обеспечение ППР Управляющие Органы управления воздействия Сценарии управления Описание целевого Выработка рекомендаций состояния M*(T) Конечные состояния Прогноз Модели прогноза Ранжированные различия ΔT 1 Диагноз ΔTj ΔTn Распознавание изменений Протоколы Описание наблюдений

Магистерская программа «ГИС-технологии и принятие решений» Цель программы – подготовка специалистов, владеющих арсеналом современных средств, методов и технологий поддержки принятия решений (ППР), способных грамотно формулировать и эффективно решать задачи рационального природопользования и управления развитием территорий с использованием данных ДЗЗ и ГИС. Спецкурсы: - ГИС-технологии в системах управления территориями - Проектирование систем космического мониторинга - Принятие решений в условиях неопределенности - Анализ и прогнозирование временных рядов - Методы исследования сложных систем

• В результате обучения будущие специалисты приобретают знания и практические навыки применения: - современных методов принятия решений в условиях риска и неопределенности; - теоретических основ и математических методов анализа временных рядов с целью оценки тенденций и прогноза динамики развития потенциала территорий; - математического аппарата динамического программирования и процедур принятия многошаговых решений ; - возможностей современных ГИС для разработки информационно- аналитического обеспечения ситуационных центров управления территориями различного масштаба; - методов проектирования систем космического мониторинга природных ресурсов, чрезвычайных ситуаций и экологического состояния окружающей среды; - методов и технологий реализации функций ППР на основе сравнения и анализа различий карт территории в среде ГИС.

Проекты на областном уровне

Ковалев И. А. Анализ и прогноз динамики показателей сельскохозяйственного производства Московской области (2015) Ортомозаики космических снимков SPOTи Landsat (ИТЦ Сканэкс)

Динамика изменения площадей полей в районах Московской области (по данным ИТЦ Сканэкс)

Проекты на районном уровне

Доронин И. А. Анализ динамики площади лесов Дмитровского района с использованием данных ДЗЗ (2014 г). Задачи 120000 100000 80000 по наземным 60000 данным 40000 по снимкам 20000 г. 08 09 10 11 12 13 20 20

Проекты на муниципальном уровне

Наукоград Дубна S=70 км 2 Население: 70, 6 тыс. человек (2012 г)

• Среди городов Подмосковья Дубна занимает одно из ведущее место по уровню благоустройства и качеству среды обитания. В немалой степени этому способствует тесное сотрудничество администрации и университета «Дубна» , направленное на применение современных компьютерных технологий для управления развитием города. • По инициативе Администрации города разработана и сдана в эксплуатацию муниципальная геоинформационная система (МГИС- «Дубна» ). • В настоящее время на базе ИСАУ создается ТСЦ предназначенный для поддержки принятия решений по управлению городским хозяйством и ведется разработка специализированных приложений на основе МГИС- «Дубна» : • - Создание системы управления функционированием инженерных сетей и коммуникаций Дубны • - Создание системы мониторинга и контроля благоустройства городской территории • - Создание прототипа туристического портала

Система управления функционированием инженерных сетей и коммуникаций. Проведены установочные совещания с организациями эксплуатирующими инженерные сети г. Дубны: § ОАО «ПТО ГХ» ; § ОАО «ЭНЕРГОТЕН» . § МУП «Энергосеть» Подписаны Соглашения о сотрудничестве между Университетом «Дубна» и ОАО «ПТО ГХ» , ОАО «ЭНЕРГОТЕН» и МУП «Энергосеть» . В рамках соглашений Университет обеспечивает сопровождение интегрированной базы данных инженерных сетей г. Дубна (ИБД). В состав ИБД входят три тематических БД : - БД водопроводных сетей и канализации (БД ВСи. К); - БД тепловых сетей (БД ТС); - БД электрических сетей и освещения (БД ЭС) Партнер : Реал. Гео. Проджект

Архитектура ГИС инженерных сетей

Функциональная схема АРМ- специалиста по эксплуатации тепловых сетей

Фрагмент электронной карты города

Пример визуализации городских инженерных сетей

Редактирование атрибутов сети

Моделирование аварийных ситуаций

Адресная рассылка уведомлений гражданам по СМС и электронной почте

Пуршев А. В. Формирование и анализ базы данных аварийных ситуаций на городских тепловых сетях в среде МГИС-Дубна (2016)

Районирование территории БВ по частоте возникновения АС

Районирование территории БВ по стоимости ремонтных работ

Районирование территории БВ с учётом частоты и стоимости ремонта

Сухотин К. Е. Моделирование освещенности городских улиц на основе МГИС «Дубна» (2015)

Модель для одного источника

Оценка качества освещенности улиц Дубны (участок улицы Энтузиастов)

Духанин В. Н. Создание интерактивной карты для мониторинга состояния инфраструктуры г. Дубна (2014)

Цели проекта • регламентировать ответственности и обязанности по благоустройству городских территорий и ЖКХ; • привлечь население к контролю состояния коммунальной инфраструктуры, чистоты и порядка в городе; • повысить оперативность и прозрачность принятия мер по ликвидации возникающих проблемных ситуаций и «узких мест» в ЖКХ города; • организовать публичный контроль и оценку деятельности управляющих компаний и коммунальных служб; • наладить диалог между администрацией и населением на основе современных информационных технологий в соответствии с концепцией «электронного правительства» .

• Задачи системы • оперативный прием информации о проблемных ситуациях (ПС), возникающих на территории города, с отображением их на «интерактивной карте» ; • доведение информации о ПС до управляющих организаций и администрации города, контроль за сроками и качеством работ по ликвидации ПС; • статистическую и аналитическую обработку информации о ПС с целью повышения качества и обоснованности решений по благоустройству территории города; • регулярное обновление и актуализация картографических и атрибутивных данных, обеспечение адекватного соответствие «интерактивной карты» реальному состоянию ЖКХ города; • открытый доступ к интерактивной карте с использованием web- интерфейсов и Интернет-портала Администрации.

Информация о зоне ответственности УК

Мониторинг проблем в городском хозяйстве и контроль за их ликвидацией

Создание заявки

Схема решения проблемы Регистрация ПС (Создание заявки) Планирование Контроль и оценка ликвидации ПС качества работ (Обработка заявки) Ликвидация ПС (Выполнение работ) Оперативная часть сервиса функционирует согласно схеме: <регистрация ПС > - < планирование ликвидации ПС > - <контроль и оценка исполнения>

План ликвидации ПС

Оценка выполнения работ по ПС Рейтинг УК ООО «Золотой колосок» Оперативность ООО «Атлант» Качество Профилактика ООО «ЖКУ-8»

Равчук Н. А. Создание прототипа туристического портала г. Дубны (2014) Важной сферой интересов администрации города является развитие туризма. В современном мире туризм относится к числу наиболее востребованных сфер применения ГИС. В интересах развития туризма в Дубне планируется разработать интерактивный сервис, предоставляющий пользователям следующие возможности: -выбрать на карте города объекты, обозначенные как туристические достопримечательности, просмотреть их изображение и получить краткую справку по каждому объекту; - построить маршрут посещения объектов, отвечающий заданным критериям (время, длина пути, стоимость и т. п. ).

Прототип туристического портала г. Дубны

• В последние годы все более широкое распространение в туристических сервисах получает 3 D-моделирование объектов. Реализация сервиса с использованием 3 D-модели позволит обеспечивать туристов информацией на качественно новом уровне.

Трехмерная модель Дома Ученых ОИЯИ г. Дубна

Перспективы развития

Проекты на университетском уровне (ГИС- Университет)

Учебно-методическая игра «Управление развитием территории» Игра предназначена для обучения методике решения задач управления развитием территории (УРТ). Она способствует более глубокому пониманию принципов управления территорией, усвоению методов синтеза и анализа альтернативных сценариев развития территории, выработке практических навыков выбора управляющих решений. В процессе игры участники учатся : - представлять исходное и целевое (конечное) и состояния территории в картографическом виде; - определять «ценность» земель с учетом их пространственного расположения и возможных способов использования; - оценивать относительную «важность» различных категорий ресурсов территории; - планировать альтернативные варианты (сценарии) преобразования территории; - определять критерии оценки эффективности различных сценариев развития территории; - выбирать наиболее эффективные сценарии достижения цели с учетом имеющегося бюджета.

Описание правил игры Игра начинается с постановки задачи управления развитием территории (УРТ), в рамках которой определяются начальные условия игры, включающие формирование: -объектных карт исходного и целевого состояния территории; - классификатора объектов с указанием «важности» каждого класса; - матрицы по пиксельной «ценности» земель; - перечня операций, имитирующих управляющие воздействия; - оценочных функций для расчета количественной меры различия ОКТ; - бюджета игры.

Пример. Начальные условия игры ОКТ 1 - исходное состояние Классификатор и важности ОКТ*-целевое состояние классов объектов a b c d e f g h Имя Важность 1 a 1 b 1 d 2 c 3 Вид ресурсов 1 a 1 c 4 b 1 d 2 c 3 класса 2 a 1 b 1 d 2 2 a 1 b 1 d 2 c 3 A водоем 2 3 a 1 b 1 b 1 3 c 1 b 1 d 2 B лес 1 4 b 1 b 1 4 c 1 b 1 b 1 C застройка 5 5 c 1 d 1 b 1 a 2 5 c 1 d 1 b 1 a 2 D сельхозугодья 4 6 c 1 c 1 d 1 b 1 a 2 E парк 3 7 c 1 d 1 b 1 c 2 7 c 1 e 1 d 1 c 2 F пусто 0 8 c 1 d 1 b 1 c 2 8 c 1 e 1 d 1 c 2 Объектные карты исходного (ОКТ 1) и целевого (ОКТ*) состояния территории задаются в виде цифровых матриц, значениями элементов (пикселей) которых являются имена классов, обозначающих виды природных ресурсов территории и способы их использования. Классификатор должен включать все классы объектов, представленные как на исходной, так и на целевой карте. Дополнительно вводится класс, обозначающий пустую территорию. Каждый класс объектов может иметь свой вес, характеризующий его относительную «важность» . Количественное значение «важности» определяется играющим с учетом целей развития территории.

Матрица по пиксельной ценности земель Пример матрицы ценности земель Правила игры допускают возможность того, что пиксели базовой матрицы могут имеют различную «ценность» , отражая различия в реальной стоимости земель. В частности, земли, расположенные в центре территории, могут стоить дороже периферийных. «Ценности» пикселей задаются в баллах специальной матрицей. Матрица «ценности» строиться играющим с учетом соображений, влияющих на стоимость земель.

Таблица операций Стоимость • Смысл игры заключается в преобразовании исходного состояния Операция Имя класса (у. е. ) территории (ОКТ 1) в целевое (ОКТ*). Удалить A 5 • Для преобразования используются специальные операции, которые позволяют имитировать различные управляющие воздействия, Создать A 2 изменяя «классовую» принадлежность пикселей ОКТ. Удалить B 3 • Одна операция позволяет изменить один пиксель. Операция УДАЛИТЬ (A) переводит пиксель из класса А в класс «пусто» . Создать B 4 Операция СОЗДАТЬ (A) преобразует «пустой» пиксель в класс A. Удалить C 6 • Изменение класса пикселя с A на В реализуется двумя базисными Создать C 10 операциями: УДАЛИТЬ (A) и СОЗДАТЬ (В). • Выполнение каждой операции требует определенных затрат, Удалить D 2 которые зависят от класса преобразуемого пикселя. В частности, Создать D 7 преобразование «леса» в «поле» , может отличаться по затратам от преобразования «поля» в «лес» . Удалить E 4 • Затраты исчисляются в условных единицах (у. е. ). Создать E 5 • Перед началом игры необходимо определить затраты на реализацию операций для каждого класса объектов в виде отдельной таблицы.

Бюджет игры Ключевым параметром игры является бюджет. Бюджет принимается на определенный временной период. По умолчанию временной период принимается равным одному году. Концепция игры предполагает, что процесс преобразования исходного состояния в целевое осуществляется за конечное число ходов. За один ход можно выполнит несколько операций. Упорядоченная последовательность операций, которую можно выполнить за один ход, называется сценарием развития. Фактически каждый сценарий определяет какие пиксели ОКТ должны быть изменены и как. Количество операций в сценарии лимитируется бюджетом. Величина бюджета определяется с учетом затрат на операции и согласуется с руководителем игры. Обычно ограничения на бюджет выбираются таким образом, чтобы сценарии содержали от 3 до 5 операций. При синтезе сценариев нужно максимально использовать наличный бюджет. Неизрасходованный остаток бюджета прибавляется к бюджету следующего хода.

Алгоритм игры Каждый ход игры (i=1, 2, …) включает выполнение четырех действий. 1. Проектируется несколько допустимых сценариев развития, которые могут быть выполнены в состоянии ОКТi за один ход с учетом ограничений по бюджету и строится множество Сi={Сik: i – номер хода; k- номер сценария; k =1, …, Mi; Mi >2 }. 2. Имитируется выполнение сценариев. В результате выполнения сценария Сik исходная ОКТi преобразуется в ОКТik. Таким образом, формируется множество {ОКТik: k =1, …, Mi }. 3. Проводиться попарное сравнение ОКТ ik , построенных в результате моделирования, с ОКТ* вычисляются интегральные меры различия Λ и (ОКТik, ОКТ*) с помощью оценочных функций, определенных в преамбуле. 4. Выбирается ОКТik m , имеющая минимальную оценку интегральной меры различия с ОКТ* . Выбранная ОКТ ik m становиться исходной и осуществляется переход к следующему ходу. Игра завершается, когда достигнуто целевое состояние.

Сравнение и количественная оценка различий ОКТ Две карты территории ОКТ 1 и ОКТ 2 могут различаться следующими параметрами: 1 - количеством классов объектов; 2 - количеством объектов в каждом классе; 3 - суммарной площадью объектов данного класса; 4 -пространственным расположением объектов в пределах территории. Площадь объекта измеряется количеством образующих его пикселей, а пространственное расположение объекта определяется через его «стоимость» , которая вычисляется как сумма «ценности» его пикселей умноженная на весовой коэффициент класса. В игре реализована двухэтапная методика сравнения и количественной оценки различий ОКТ с использованием локальных и интегральной оценочных функций.

Интегральная мера рассчитывается по формуле Λ(ОКТ 1, ОКТ 2) =δ 1· 1(ОКТ 1, ОКТ 2) + δ 2· 2(ОКТ 1, ОКТ 2) + δ 3· 3(ОКТ 1, ОКТ 2) + δ 4· 4(ОКТ 1, ОКТ 2) Где : δi –весовой коэффициент, учитывающий относительный вес соответствующей локальной меры Для расчета локальных различий используются следующие меры Оценочная функция Комментарий k 1 – кол-во «новых» классов, т. е. таких, которые есть в ОКТ 2, но отсутствуют в ОКТ 1; k 2– кол-во «исчезнувших» классов, т. е. таких, которые есть в ОКТ 1, но отсутствуют в ОКТ 2; αi – весовой коэффициент объектов i-го класса n 1 i- кол-во объектов i-го класса ОКТ 1; n 2 i – кол-во объектов i-го класса ОКТ 2 ; αi – весовой коэффициент объектов i-го класса. s 1 i- суммарная площадь объектов i-го класса ОКТ 1, ; s 2 i – суммарная площадь объектов i-го класса ОКТ 2 ; αi – весовой коэффициент объектов i-го класса. χ1 i- суммарная «стоимость» объектов i-го класса ОКТ 1; χ2 i – суммарная «стоимость» объектов i-го класса ОКТ 2 ;

Пример трех сценариев преобразования исходной ОКТ (бюджет 20 у. е. ) ОКТ 11 a b c d e f g h 1 a 1 f 1 b 1 d 2 c 3 2 a 1 f 1 b 1 d 2 Сценарий 1. Удаление (осушение) 4 3 a 1 b 1 b 1 4 b 1 b 1 пикселей занятых водоемом. Затраты на 5 c 1 d 1 b 1 a 2 реализацию - 20 у. е. В результате реализации 6 c 1 d 1 b 1 a 2 ОКТ 1 7 c 1 d 1 b 1 c 2 a b c d e f g h сценария строиться ОКТ 11. 8 c 1 d 1 b 1 c 2 1 a 1 b 1 d 2 c 3 2 a 1 b 1 d 2 Сценарий 2. Удаление 2 пикселей занятых ОКТ 12 a b c d e f g h 3 4 a 1 b 1 a 1 b 1 b 1 b 1 b 1 застройками, удаление 2 пикселей 1 a 1 b 1 d 2 c 3 2 a 1 b 1 d 2 5 c 1 d 1 b 1 a 2 сельхозугодий и удаление (вырубка) 1 3 a 1 b 1 b 1 6 c 1 d 1 b 1 a 2 пикселя леса. Затраты на реализацию - 19 4 5 b 1 c 1 b 1 c 1 b 1 d 1 b 1 d 1 b 1 a 2 b 1 a 2 7 c 1 d 1 b 1 c 2 8 c 1 d 1 b 1 c 2 у. е. В результате реализации сценария 6 c 1 d 1 b 1 a 2 7 c 1 f 1 d 1 b 1 c 2 строиться ОКТ 12. 8 c 1 f 1 d 1 f 2 c 2 ОКТ 13 Сценарий 3. Удаление 1 пикселя леса, a b c d e f g h полностью удаляется объект сельхозугодий, 1 a 1 b 1 f 2 c 3 2 a 1 b 1 f 2 c 3 состоящий из 3 пикселей, один из 3 a 1 b 1 b 1 освобожденных пикселей застраивается. 4 5 b 1 c 1 b 1 c 1 b 1 d 1 b 1 d 1 b 1 a 2 b 1 a 2 Затраты на реализацию - 19 у. е. В результате 6 c 1 d 1 b 1 a 2 7 c 1 d 1 b 1 c 2 реализации сценария строиться ОКТ 13 . 8 c 1 d 1 b 1 c 2

Расчет интегральной меры различия =1· 1 +2· 2 + 4· 3 + 3· 4 Сценарии ОКТ 11 ОКТ 12 ОКТ 13 развития Меры различия λ 1 3 3 λ 2 8 8 12 λ 3 77 102 91 λ 4 198 255 231 Λ 915 1192 1072 Таким образом наилучшим является первый сценарий и ОКТ 11 становиться исходной для следующего хода

По завершению игры можно проанализировать динамику движения к цели ( изменения значения интегральной меры различия ОКТi и ОКТ* ) В частности для ходов 1 -4 интегральная мера изменяется быстрее, чем для 5 -10 и 11 -13. Это связано с выбранной стратегией, начинать преобразование с наиболее существенных изменений. В процессе игры допускается изменение бюджета, матрицы «ценности» пикселей и таблицы операций. Изменение матрицы «ценности» пикселей позволяет учитывать изменение стоимости земли, а изменение таблицы операций – имитировать технологический прогресс.