Математическое и алгоритмическое обеспечение для формирования и оценки вариантов административно-территориального деления региона

В настоящее время субъекты административно-территориального деления (АТД) значительно различаются по территории, численности населения, экономическим показателям. Вследствие этого для обеспечения социально-экономической стабильности общества приходится перераспределять доходы субъектов АДТ. Часто регионы (районы) с высокими экономическими показателями (регионы-доноры) финансируют в виде дотаций более слабые субъекты (дотационные регионы).

Изменение АТД регионов (реструктуризация) проводится с целью сформировать субъекты АТД более равнозначными с точки зрения экономических показателей. Реструктуризация АТД заключается в оптимальном перераспределении административной принадлежности экономически благополучных и дотационных районов.

Рассматриваемая проблема представляет собой сложную задачу, требующую для своего решения учета ограничений, необходимых для обеспечения оперативности управления. К ним относят, в частности, ограничения на размер территорий и численность населения, наличие общих границ у объединяемых районов.

Анализ проблемы показывает, что исследования в этом направлении носят в основном макроэкономический, географический или политический характер (В. К. Бугаев, Л. М. Корытный, С. А. Тархов, Ю.С. Никульников) и не рассматривают вопросы комплексного системного анализа проблемы, конкретных технологий проведения реструктуризации и численной ее оценки.

Отсутствуют формализованные методы и средства информационной поддержки принятия решений соответствующими управленческими органами для задач реструктуризации АТД. Разработка математических моделей, алгоритмов оптимизации, информационного и программного обеспечения позволит формировать и оценивать различные варианты административно-территориального деления региона. При этом необходимо учитывать не только макроэкономические, географические и политические факторы, но и комплексно анализировать все последствия реструктуризации с учетом пространственно-географической, промышленно-экономической, инфраструктурной, социальной специфики конкретного региона.

Известные методы системного анализа на основе структурного подхода и теории графов, изложенные в работах Д. И. Батищева, А. М. Бершадского,.

A. А. Зыкова, В. А. Камаева, В. М. Курейчика, ориентированы в основном на проектирование сложных технических объектов и требуют серьезной адаптации для решения задач управления в социально-экономических системах. В качестве перспективного направления такой адаптации в работах С.

B. Качаева, Е. К. Корноушенко, В. И. Максимова была предложена технология описания структуры причинно-следственных связей предметной области с помощью когнитивных карт. При этом следует отметить, что существующие работы в данном направлении имеют низкий уровень формализации и используют графовые когнитивные карты только лишь в качестве визуальной модели, что не позволяет в полной мере использовать арсенал компьютерных средств и информационных технологий.

Таким образом, актуальной научной задачей является разработка формального математического и алгоритмического аппарата, позволяющего создавать автоматизированные средства для повышения эффективности принятия решений в социально-экономической сфере и, в частности, при решении задач формирования и оценки вариантов АТД региона.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности формирования и оценки вариантов административно-территориального деления региона за счет разработанного математического и алгоритмического обеспечения системы поддержки принятия решений. Системная совокупность разработанных компонентов должна обеспечить информационно-программную поддержку лица, принимающего решения, и предоставить ему автоматизированные средства для выполнения процесса изменения АТД, системного анализа и сравнения различных вариантов реструктуризации, а также комплексной оценки возможных социально-экономических последствий.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих методов управления АТД поддержки проведения территориальной реструктуризации и научных подходов к оценке ее влияния на социально-экономическое состояние регионов.

2. Разработать математическую модель АТД, позволяющую комплексно учитывать социальные, пространственно-географические, инфраструктурные и промышленно-экономические показатели развития административно-территориальных единиц.

3. Разработать методику проведения реструктуризации АТД, позволяющую оперативно, наглядно и эффективно перераспределять районный состав субъектов Федерации, с возможностью автоматизированного выбора оптимальных решений и учетом заданной группы критериев.

4. Разработать алгоритм с различными критериями реструктуризации АТД, позволяющий сформировать множество возможных вариантов объединения смежных районов (укрупнения), выполнить качественную и количественную оценку получаемого в результате социально-экономического эффекта с возможностью выбора оптимального варианта.

5. На основе предлагаемого алгоритма разработать прототип информационно-аналитической системы с функциями формирования вариантов реструктуризации АТД, их визуализации и сравнения по заданным критериям, поиска оптимальных вариантов, наглядного геоинформационного представления результатов для лиц, принимающих решения.

6. Выполнить апробацию и провести экспериментальные исследования прототипа системы поддержки принятия решений для задачи реформирования АТД на уровне отдельного региона РФ.

Объектом исследования диссертационной работы являются административно-территориальное деление регионов РФ, а также варианты их реструктуризации.

Предметом исследования являются математическое и алгоритмическое обеспечение для формирования и оценки вариантов административно-территориального деления региона.

Методы исследования основываются на методах системного анализа, теории графов, когнитивных картах, теории множеств, геоинформационных технологиях, методах математической статистики, объектно-ориентированного проектирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. Разработана математическая модель АТД, отличающаяся возможностью формализации административно-территориальной структуры региона, с учетом социальных, пространственно-географических, инфраструктурных и промышленно-экономических факторов его развития.

2. Предложена методика проведения реструктуризации, позволяющая оперативно и эффективно принимать управленческие решения по укрупнению районного состава субъектов Федерации, с возможностью автоматизированного выбора оптимальных решений и учетом заданной группы критериев. Особенностью методики является наглядность за счет использования когнитивных карт, отражающих причинно-следственные связи противоречивых критериев, влияющих на качество принимаемых решений.

3. Разработан алгоритм с различными критериями реструктуризации АТД, впервые позволивший автоматизировать процесс принятия решений в области управления социально-экономическим развитием регионов за счет оптимального изменения их структурного состава. Отличительной особенностью алгоритма является возможность расчета вариантов АТД на основе комплексного учета таких критериев, как мера сходства социально-экономических показателей развития смежных районовколичество транспортных коммуникаций между смежными районамипротяженность общей границы между смежными районамимера сходства индексов развития человеческого потенциала (ИРЧП) смежных районовпринадлежность районов ко множеству тематических кластеров.

Теоретическая ценность работы заключается в разработке математической модели АТД, алгоритма и методики решения проблемы автоматизированного поиска оптимальных вариантов АТД с учетом экономических, социальных и пространственно-географических факторов.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные модель, методика и алгоритм реализованы в виде программной системы, обеспечивающей информационно-аналитическую поддержку принятия решений при проведении реструктуризации АТД регионов, а также позволяющей производить численную оценку социально-экономической эффективности различных вариантов реструктуризации.

Система предназначена для использования в управлении администрации области. Рассмотренный алгоритм с различными критериями реструктуризации не имеет жесткой привязки к региональным статистическим данным и поэтому может быть применен и на федеральном уровне.

В работе даны практические рекомендации по применению системы, предложены последовательность и содержание этапов подготовки входной информации, выполнения реструктуризации и анализа полученных результатов.

Достоверность и обоснованность результатов. Обоснованность и адекватность разработанного алгоритма с различными критериями реструктуризации подтверждаются корректностью использования математического аппарата, его практической реализацией на основании теоретических и экспериментальных исследований при решении задачи реструктуризации региона.

Соответствие паспорту специальности. Работа соответствует паспорту специальности ВАК РФ 05.13.10 — Управление в социальных и экономических системах, пункты 3 и 4, и 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации (в технике и технологиях), пункты 4 и 9.

На защиту выносятся:

1. Математическая модель АТД региона.

2. Методика проведения реструктуризации АТД региона.

3. Алгоритм с различными критериями реструктуризации АТД региона.

4. Прототип информационно-аналитической системы реструктуризации АТД региона.

Внедрение результатов работы и связь с научными программами.

Диссертационные исследования проводились на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» (ПТУ) при выполнении НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2011)». Результаты работы были внедрены в Управлении внутренней политики Правительства Пензенской области и зарегистрированы в реестре программ для ЭВМ Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам РФ от 19.09.2012.

Апробация работы. Теоретические и практические результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на конференциях и семинарах: «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+SE» (Ялта-Гурзуф, 2011), Всероссийской молодежной конференции (Воронеж, 2011), III Международной Интернет-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Инновационные технологии: теория, инструменты, практика» InnoTech 2011 (Пермь, 2011), Международной конференции «Моделирование и анализ информационных систем» (Ярославль, 2012), IV Всероссийской межвузовской научной конференции (Муром, 2012), VIII International Scientific-Practical conference «Days of science — 2012» (Прага, 2012), Международной научно-практической конференции «Инновационные информационные технологии» (Москва, 2012), IV Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии в науке, образовании и экономике» (Якутск, 2012), Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов с международным участием «Трибуна молодого ученого: Актуальные проблемы науки глазами молодежи» (Мурманск, 2012), VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К. Э. Циолковского (Красноярск, 2012), Международной научно-практической конференции «Теоретические и прикладные исследования социально-экономических систем в условиях интеграции России в мировую экономику» (Тюмень, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе шесть в журналах, рекомендованных ВАК, одно свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами на 146 страницах, заключения, списка литературы из 120 наименований, приложений. Работа содержит 38 рисунков и 5 таблиц.

Выводы по разделу.

1. Предложена последовательность и описано содержание этапов проведения реструктуризации административно-территориального деления на примере Пензенской области.

2. Предложен подход организации взаимодействия с пользователем, при котором имеется одно главное приложение, которое вызывает функции подключаемых к нему модулей, способ визуализации на картографической основе.

3. Экспериментальные исследования работы с системой показали, что формирование очередного варианта реструктуризации региона занимает несколько минут. Это намного меньше того времени, которое понадобилось бы для ручного выполнения той же работы (по оценкам экспертов — несколько дней).

4. Реализована автоматическая визуализация графов, что намного облегчает восприятие информации пользователем, а также представление данных на цифровой картографической основе.

5. Выполнено сравнение работы алгоритма реструктуризации с использованием различных критериев.

6. Представлены результаты реструктуризации административно-территориального деления на примере районов Пензенской области.

Заключение

.

В диссертационной работе достигнуты следующие результаты:

1. Выполнен анализ существующих методов поддержки проведения территориальной реструктуризации и научных подходов к оценке ее влияния на социально-экономическое состояние регионов РФ.

2. Разработана математическая модель АТД, отличающаяся возможностью формализации административно-территориальной структуры региона с учетом социальных, пространственно-географических, инфраструктурных и промышленно-экономических факторов его развития.

3. Предложена методика проведения реструктуризации, позволяющая оперативно и эффективно принимать управленческие решения по укрупнению районного состава субъектов Федерации, с возможностью автоматизированного выбора оптимальных решений и учетом заданной группы критериев. Особенностью методики является наглядность за счет использования когнитивных карт, отражающих причинно-следственные связи противоречивых критериев, влияющих на качество принимаемых решений.

4. Разработан алгоритм реструктуризации АТД, впервые позволивший автоматизировать процесс принятия решений в области управления социально-экономическим развитием регионов за счет оптимального изменения их структурного состава. Отличительной особенностью алгоритма является возможность расчета вариантов АТД на основе комплексного учета таких критериев, как мера сходства социально-экономических показателей развития смежных районовколичество транспортных коммуникаций между смежными районамипротяженность общей границы между смежными районамимера сходства индексов ИРЧП смежных районовпринадлежность районов к множеству тематических кластеров.

5. На основе предлагаемого алгоритма с различными критериями реструктуризации разработан прототип информационно-аналитической системы с функциями формирования вариантов реструктуризации, их визуализации и сравнения по заданным критериям, поиска оптимальных вариантов, наглядного геоинформационного представления результатов для лиц, принимающих решения.

6. Выполнена апробация и проведено экспериментальное исследование прототипа системы поддержки принятия решений на уровне отдельного региона РФ.