Технологии создания распределенных информационных систем моделирования сложных динамических процессов

Современные информационные технологии и компьютерные телекоммуникации открывают принципиально новые возможности формирования единого информационного пространства для решения научных задач. В настоящее время технические и технологические возможности позволяют использовать новую информационно-инструментальную поддержку научных исследований. Появляется возможность создавать информационные системы, объединяющие эмпирический и математический уровни, что позволяет работать по единой технологии, как с экспериментальными данными, так и с математическими моделями вычислительного эксперимента. Это в идеале обеспечивает весь технологический цикл обработки данных в рамках Data WareHouse (от ввода и нормализации данных до их аналитической обработки в режиме OnLine). При этом помимо принципиально нового уровня получения и обобщения знаний, их распространения и использования эффективно достигается эдна из основных целей моделирования — стимулирование к накоплению экспериментальных данных.

Особая роль в этом процессе принадлежит базам данных. Системы управления базами данных — это не только сложные, насыщенные технологическими решениями инженерные продукты, но и инструменты моделирования в прикладных областях. Поскольку и вычислительный жсперимент, и компьютерные системы планирования экспериментов также шляются традиционными инструментами моделирования, то представляется жтуальным применение в этих задачах реляционных технологий.

В качестве основы для интеграции вычислительного эксперимента (с 1атематическими и концептуальными моделями) и реляционных баз данных южно выбрать один из подходов, реализуемых в геоинформационных системах ГИС). Здесь под ГИС понимается не класс или тип программных систем и пакетов, а базовая технология для компьютерных методов и программ, относящаяся к работе с пространственными данными (т. е. с новыми типами данных).

Обычно геоинформационные технологии применяют в тех задачах, где естественные природные структуры взаимодействуют с искусственными. Для представления информации в таких системах традиционно используются географические карты. Поскольку формы границ картографических объектов достаточно сложны и не поддаются простой геометрической классификации, в соответствующих компьютерных системах используется топологическое структурирование. Карта делится на слои топологически однотипных объектовточек, линий, полигонов. Для каждого слоя создается своя таблица атрибутивных цанных. Таблица, на пользовательском (логическом) уровне, содержит два шецифических столбца, которые удобно представить в виде ссылок. Первый столбец ссылается на элемент картографического слоя, соответствующий данной строке, а второй — на программный код, отвечающий за поведение (например, шзуализацию) соответствующего элемента слоя. Такое представление помимо фосмотра карты и тематического картографирования обеспечивает возможность юпользования SQL аппарата реляционных баз для атрибутивных данных, а 'акже запросы по картографическим свойствам (в окрестности, граничит, герекрывается и. т. д.).

Эта технология создания информационных систем, на которой основаны, [апример, такие пакеты как Maplnfo [52,53], может успешно использоваться при >азработке программных средств информатизации прикладных и научных сследований, образования, сложных кадастрах.

Приведем основные доводы в пользу такого подхода, суть которого остоит в усложнении прикладной программной среды за счет синтеза программ структурированных данных.

Повышение ценности программного обеспечения.

Ниже ценность — это не только определяемая спросом стоимость, но и функциональность, обеспечиваемая совокупностью Модели + Алгоритмы + Код + Usability (потребительские качества, наглядность представления результатов). Предлагаемая методология позволяет включить в ценность дополнительные слагаемые — исходные данные и при необходимости, результаты расчетов. В этом случае ценность {ПО + данные) возрастает со временем именно за счет собранных данных. Такого рода программные комплексы не очень приспособлены для создания многотиражного продукта (сложная инсталляция, во время которой может потребоваться не только выбор варианта, но и: оздание/модификация программного кода). Здесь больше подходит технология с гдиным центром, в котором находится программный код и откуда происходит управление данными. Расширение круга пользователей такой информационной: истемы происходит в основном за счет предоставления возможности ютользовать при моделировании не только свои данные, но и данные, собранные другими пользователями. ?. Масштабируемость по моделям.

Любой разработчик, естественно, стремится свести к минимуму число [вторских разработок в своем пакете, за счет вызова из своего приложения торонних сервисов. Поэтому особую актуальность приобретает задача >азработки технологий, позволяющих экспортировать в информационную истему сторонние расчетные модули. Отметим, что увеличение количестваанных обычно позволяет ставить и решать качественно новые задачи, то есть,.

-' «и» 1 W оличество востребованных моделей для развивающейся информационной истемы возрастает. Кроме того, оформление кода согласно разработанным для анной информационной системы протоколам может служить своеобразным таком его (кода) качества.

3. Повышение доступности программного комплекса для новых исследователей и разработчиков. Организация виртуальных лабораторий.

Средства оперативного доступа к информации по компьютерным сетям обеспечили новые возможности использования программного обеспечения (ПО) — создание виртуальных лабораторий. Под этим термином в контексте вычислительного эксперимента или задач планирования эксперимента понимается ПО, которое с одной стороны позволяет на имеющихся данных производить те или иные расчеты, а с другой — поставляет справочную информацию о проведенных вычислительных экспериментах и экспериментальных данных, полученных другими исследователями. Такой сервис помогает более осмысленно выбрать ту или иную модель. Эти дистанционные технологии помогают установить связь между удалёнными друг эт друга специалистами и сделать общедоступными информационные массивы, гго особенно актуально при внедрении новых информационных технологий в образовательный процесс. Развитые способы удаленного доступа к базам данных юсле оформления программного кода, используемого при численном моделировании или планировании эксперимента, в объектные атрибуты для юответствующих таблиц позволяют создавать тематические виртуальные [аборатории. Например, это виртуальная лаборатория «Математические модели >кологии» представленная на сайте [126], где авторы предлагают ряд моделей [опуляционной динамики, описываемых различными типами дифференциальных равнений. Поясняется техника вывода уравнений, приводятся результаты сследования этих моделей. Для некоторых моделей разработаны Java-апплеты, оторые позволяют выбрать параметры уравнений, например, сетку для конечно-азностной аппроксимации, а также увидеть полученные решения в виде татических или анимированных (изменяющихся по временным слоям) графиков ешений.

При достаточном объеме данных такая база в образовательных целях может оформляться и в качестве CD энциклопедии.

Отметим, что предлагаемый в работе подход не предполагает разработку инструментальной объектно-ориентированной системы, поскольку здесь мы имеем дело с экземплярами объектов, а не с их классом или многоуровневыми конструкциями классов, связанных механизмом наследования. Создание информационной системы при таком подходе представляется как подбор, комбинации и организация взаимодействия технологических решений, предоставляющих в совокупности возможность решения требуемой задачи.

В данной работе предложенная технология используется при численном исследовании сложных колебательных режимов одного класса моделей популяционной экологии, в задачах изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз в углеводородных системах и задачах планировании физико-химических экспериментов. Естественно, такой подход применяется в информационных: истемах земельного кадастра, где ГИС составляющая является одной из зажнейших.

Целью работы является развитие технологий, интегрирующих реляционный и объектно-ориентированный подходы применительно к задачам:

• численного исследования устойчивых колебательных режимов в распределенных системах с запаздыванием, моделирующих динамику численности изолированных и взаимодействующих популяций с учетом таких факторов как миграция, неоднородность ареала обитания, внешнее воздействие на популяцию;

• создания компьютерной модели трансформации фазовых диаграмм в системах AnS — Ln2S3 (А11 = Са, Sr, ВаLn = La — Lu, Y) для прогнозирования новых фазовых диаграмм малоизученных систем на основе программной реализации компьютерной модели;

• создания информационной системы для изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз углеводородных систем;

• разработки комплексной технологии формирования, использования и обновления информационной базы земельного кадастра поселений, которая не только поддерживает установленную государством систему учета, регистрации и оценки земель, но и обеспечивает эволюционное развитие статического земельного кадастра в динамическую информационную систему принятия решений на муниципальном уровне;

• создания средств соответствующего информационного обеспечения, в том числе пользовательских кадастровых систем.

Методология исследований. В качестве базовой методологии создания информационных систем для научных исследований и сложных кадастров выбран подход, реализуемый в геоинформационных приложениях. В рамках этой технологии информационная система строится путем объединения проблемно-эриентированного программного кода, реляционной атрибутики и результатов расчетов в единой (на логическом уровне) базе данных. В качестве основной математической модели для исследования сложных колебательных режимов динамики численности популяций выбраны распределенные системы дифференциальных уравнений с запаздыванием. Информационная система для эасчетов газового фактора строится на основе модели Пенга-Робинсона. 1остроение фазовых диаграмм осуществляется в соответствии с двумя) сновными принципами физико-химического анализа — непрерывности свойств) тдельных фаз системы при непрерывном изменении параметров и соответствия саждой фазе или комплексу фаз на диаграмме состояния определённого 'еометрического образа. Кадастровые системы строятся на основе 'самодостаточных информационных объектов, отражающих все существенные: вязи между реальными объектами учета.

Научная новизна заключается в применении данной технологии к новым классам задач. С помощью разработанной технологии в работе получен ряд новых научных результатов в различных предметных областях.

Проведены исследования колебательных режимов в распределенных моделях динамики численности:

1) изолированной популяции, с учетом таких факторов как запаздывание, неоднородность среды обитания, неоднородность мальтузианского коэффициента, различных стратегий внешнего воздействия;

2) двух конкурирующих популяций с учетом подвижности, величины мальтузианского коэффициента и коэффициентов конкуренции, мозаичности среды обитания;

3) системы «хищник-жертва» с учетом мозаичности ареала для жертвы и миграции хищника за границу ареала обитания.

Разработана новая методика построения компьютерной модели трансформации фазовой диаграммы на базе интеграции реляционных технологий л программного кода для работы с графическими объектами.

Разработана новая технология и создана информационная система для 1сследования газонасыщенных нефтей.

Проведено комплексное исследование возможностей использования юследних достижений в области геоинформационных систем, теории юляционных баз данных и объектно-ориентированного подхода при [роектировании сложных информационных кадастровых систем. Предложена [овая методика создания земельного кадастра поселений, интегрирующая [анные муниципального и общегосударственного учета на основе поэтапного азвертывания и наращивания городского земельного кадастра.

Достоверность и обоснованность полученных результатов для моделей инамики численности популяций подтверждается как сравнением с натурными данными на качественном уровне, так и дальнейшими теоретическими исследованиями в работах других авторов (например, см. работы С. А. Кащенко [93−109] и имеющуюся там библиографию).

Достоверность расчетов газового фактора подтверждается опытными замерами на реальном месторождении.

Достоверность прогноза, использующего компьютерную модель трансформации фазовых диаграмм двухкомпонентных систем, подтверждается экспериментальной проверкой.

Достоверность результатов исследований по информационному моделированию кадастровых систем подтверждается практической реализацией предложенных моделей при создании земельного кадастра г. Тюмени и кадастра городской муниципальной собственности.

Основные положения работы, выносимые на защиту:

• технология и средства создания информационных систем, объединяющих эмпирический и математический уровни и позволяющих единообразно работать с экспериментальными данными, компьютерными и математическими моделями, результатами расчетов;

• результаты исследования колебательных режимов динамики численности изолированной и сосуществующих (конкуренция и хищничество) популяций с учетом гетерогенности среды обитания;

• метод построения компьютерной модели трансформации фазовых диаграмм состав-свойство на основе интеграции реляционных баз и программного кода, ориентированного на работу с графическими объектами;

• результаты анализа и прогноза фазовых диаграмм малоизученных систем;

• технология разработки информационной системы для исследования газонасыщенных нефтей.

• технологические подходы к формированию, использованию и обновлению информационной базы земельного кадастра поселений, обеспечивающие постепенный переход от статического земельного учета к динамической информационной системе для принятия управленческих решений на муниципальном уровне;

• практическая реализация информационной системы земельного кадастра г. Тюмени.

Практическая значимость. Предложенная технология интеграции программ численного моделирования и реляционной базы данных упрощает использование результатов численного исследования моделей популяционной динамики при изучении реальных факторов, влияющих на плотность популяции, а также при выборе оптимальной стратегии эксплуатации популяций. Такой подход позволяет увеличить взаимную доступность удалённых друг от друга шециалистов и массивов данных, что особенно важно при внедрении новых информационных технологий в образовательный процесс и научные исследования.

Информационная система для исследования газонасыщенных нефтей^{пользуется} для решения прикладных задач моделирования поведения шастовых систем при различных термобарических условиях.

Разработана и внедрена методика комплексного изучения фазовых щаграмм в ряду систем, сочетающая экспериментальное построение фазовых щаграмм с созданием компьютерной модели взаимодействия в системах и [рогнозом фазовых диаграмм малоизученных систем.

На основе компьютерных моделей трансформации фазовых диаграмм в истемах AIIS — Ln2S3 (АН = Са, Sr, ВаLn = La — Lu, Y) сделан прогноз фазовых даграмм для 18 систем.

На основе результатов исследований, посвященных информационному юделированию кадастровых систем, в Тюменском городском земельном комитете и городском комитете по управлению муниципальной собственностью созданы автоматизированные системы ведения соответствующих кадастров. Краткое содержание работы.

Предложенная технология разработки информационных систем для научных исследований и прикладных задач конкретизирована в следующих разделах работы:

• В главе 1 кратко излагается технологическая схема на примере уравнения Хатчинсона. Подробно с примерами и текстами программ технология изложена в монографии [82].

• В главе 2 данная технология применяется к исследованию пространственных моделей динамики численности популяций.

• В главах 3−4 технология информационного моделирования подробно излагается для задач исследования фазовых равновесий бинарных систем и изучения состава и свойств углеводородных смесей. В главах 5−6 технология детально изложена применительно к построению кадастровых систем.

Первая глава является вводной. В ней сделан обзор различных технологических подходов к построению информационных систем для научных I прикладных исследований. Методология разработки ИС объясняется на фимере ИС для численного исследования колебательных режимов одного щфференциального уравнения. Для расчетов решения этого уравнения создается ЮМ объект, который в зависимости от целей и направлений исследований, а акже желаемого представления результатов, встраивается в качестве. омпонента в ту или иную информационную систему. С методической точки рения численное исследование колебательных режимов позволяет родемонстрировать практически весь спектр проблем, с которыми сталкивается азработчик программного обеспечения для прикладных и научных сследований. В главе сделан обзор по технологии реляционных баз данных и изложены основные принципы, используемые в дальнейшем при разработке программного обеспечения для научно-исследовательских задач. Суть методологии состоит в интеграции программы и данных путем включения на логическом уровне в реляционные таблицы атрибутов объектного типаактивных данных, методы которых обеспечивают специфическое поведение моделируемого пространственного объекта, например, его визуализацию.

Такой подход не только позволяет стандартными средствами эффективно анализировать результаты расчетов, которые также хранятся в базе, но и создавать многопользовательский вариант пакета или виртуальную лабораторию, где по мере накопления данных возможно появление качественно нового сервиса — в идеале это анализ экспериментального материала и выбор наиболее подходящих моделей.

В главе 2 изложены результаты численного исследования колебательных режимов, возникающих в распределенных моделях динамики численности изолированной и взаимодействующих популяций.

Когда рост численности популяции прекращается, ее плотность зачастую солеблется относительно стационарного уровня. Эти колебания могут быть обусловлены сезонными или годовыми изменениями возможности использовать эесурсы, а могут быть и просто случайными. Тем не менее, встречаются юпуляции, у которых эти флуктуации столь регулярны, что динамику их гасленности можно рассматривать как циклическую [198, 226]. Такие >егулярные циклические колебания численности являются своего рода [природным экспериментом", который может внести некоторую ясность •тносительно факторов, воздействующих на плотность популяции.

Для объяснения причин, вызывающих колебания, предложено несколько ипотез: стресс, колебания за счет взаимодействия «хищник-жертва», инамическое взаимодействие с пищевыми ресурсами, генетический контроль и т. д. То есть, экспериментальные данные объясняются, в основном, на концептуальном уровне с помощью различных моделей.

В двух первых разделах второй главы определены основные понятия и приведены литературные данные по натурным наблюдениям и моделированию колебательных режимов динамики численности популяций, в основном, на примерах исследования динамики популяций мелких грызунов.

Проблема объяснения природы популяционных пиков мелких млекопитающих относится к классическим задачам экологии, поскольку эти популяции идеально подходят для сопоставления моделей и биологической реальности. Этот важнейший компонент многих экосистем (тундровых, лесных, степных, горных) хорошо изучен с экспериментальной стороны. Популяции имеют ясное положение в системе трофических связей и представляют большой интерес с медицинской и хозяйственной точек зрения. При этом мелкие млекопитающие демонстрируют весь спектр режимов популяционной динамики, тго дает возможность сформулировать основные проблемы, возникающие при юстроении моделей динамики численности популяций.

Следует отметить, что математическое моделирование не подменяет собой жспериментальные исследования, а, напротив, стимулирует накопление фактического материала, уточняет направление проводимых экспериментов. Многообразие математических и концептуальных моделей и успехи, фстигнутые в применении имитационных моделей, естественным образом юзволяют перейти к разработке информационных систем для исследования юпуляционной динамики, обеспечивающих единую технологию доступа к кспериментальным данным, моделям и результатам.

До недавнего времени подавляющее число работ по математической кологии не учитывало пространственной неоднородности исследуемых систем и спользовало лишь кинетические уравнения. В то же время, все больше сследователей признают, что пространственные явления имеют принципиальное значение в функционировании экологических систем. Естественно, пассивная диффузия не применима для прогнозирования движения животных. Но диффузионная гипотеза имеет ряд преимуществ как отправная точка. Даже если движение не диффузионно, диффузионная аппроксимация может обеспечить приемлемое описание в больших пространственных масштабах.

Во второй главе исследуется влияние гетерогенности среды обитания на динамику численности изолированной и двух взаимодействующих популяций (конкуренция и хищничество). Относительно причин, вызывающих миграции, предполагается, что особи всегда мигрируют из мест с высокой численностью в места, где численность ниже, а интенсивность миграции пропорциональна относительной разности численностей. Такое предположение дает возможность ввести коэффициент подвижности вида, отождествив его с соответствующим коэффициентом диффузии.

Во всех изучаемых моделях предполагается, что колебания возникают благодаря естественно возникающему запаздыванию в относительной скорости эоста популяции. Если запаздывание является причиной колебаний, то вид солебательного режима может существенно зависеть от таких факторов как^{однородность} среды обитания, миграции или внешнего воздействия. В юдобных моделях применение традиционных в теории колебаний щалитических методов зачастую не дает должного эффекта. Остается только шсленный анализ. Очевидно, что ценность такого анализа возрастает, если и [сходные данные, и результаты расчетов, и модели объединены в единой базе (анных.

В главе 3 описана методика построения модели трансформациивухкомпонентных фазовых диаграмм, а также представлены результаты анализа i прогнозирования для ряда бинарных систем.

Важнейшей задачей физико-химического анализа является установление и, по возможности, предсказание зависимости (диаграммы) состав—свойство. Каждая такая диаграмма является результатом синтеза большого количества экспериментальных данных, помогает решить ряд практических задач и имеет большое теоретическое значение. Поэтому актуальной является задача создания компьютерной модели диаграмм состояния. Основой для такой модели может служить тот факт, что диаграммы состояния различного вида генеалогически связаны между собой. Поскольку на концептуальном уровне модель диаграммы состояния достаточно подробно проработана, то сбор экспериментальных данных в единую базу, наряду с включением туда объектно-ориентированного программного кода для интерполяции и 2−3D визуализации, позволяет прогнозировать элементы новых диаграмм на основе трансформации свойств ранее созданных.

Компьютерная модель трансформации фазовых диаграмм в ряду систем: оздаётся на основе объектно-ориентированных технологий. Основным типом классом) был выбран объект «двухкомпонентная фазовая диаграмма». Объекты, юрождаемые этим классом, соответствуют нашим представлениям о реальных тлениях, исследуемых средствами физико-химического анализа. Внутренняя: труктура класса «двухкомпонентная фазовая диаграмма», состоит из атрибутовюлей данных, определяющих его состояние, и набора операторов или функций методов или сервисов согласно объектно-ориентированной терминологии), :оторые применяются для экземпляров этого класса. Построение фазовых [иаграмм осуществляется в соответствии с двумя основными принципами шзико-химического анализа:

— принцип непрерывности: при непрерывном изменении параметров, пределяющих состояние системы, свойства отдельных её фаз изменяются епрерывно;

— принцип соответствия: каждой фазе или комплексу фаз на диаграмме состояния соответствует определённый геометрический образ — участок плоскости — полелинии отвечают двум фазамточка — трём фазам, также находящимся в равновесии.

Эти принципы определяют поливариантный выбор методов классафункций для математического описания элементов фазовых диаграмм.

В рядах систем, образованных редкоземельными элементами или их соединениями, происходит постоянное изменение фазовых диаграмм. Преобразование диаграмм происходит также при изменяющемся внешнем параметре, например, давлении. Как правило, экспериментально изучают диаграммы для определенных значений давления, что также приводит к образованию ряда диаграмм. При визуализации характера трансформации фазовых диаграмм в ряду систем образуется пространственная Т — X — N диаграмма. Она создаётся на основе аппроксимации и экстраполяции данных по экспериментально построенным фазовым диаграммам, зависимостям составсвойство. Каждая из Т — X диаграмм представляет собой класс объектов элементов диаграммы). Каждый объект обладает определенными свойствами и признаками. Все геометрические объекты, проявляющиеся в данном ряду разовых диаграмм, систематизируются путём объединения соответствующих шементов в логические связи. В качестве N выступает любой фактор, !ызывающий изменения в ряду систем: порядковый номер элемента в гериодической системе, порядковый номер системы в ряду трансформации, >адиус иона rLn3+, значение термодинамической характеристики, внешний [араметр системы, другие факторы, вызывающие трансформацию фазовой.иаграммы. Совокупность математических уравнений, описывающих рансформацию всех элементов диаграмм в ряду систем, рассматривается как омпьютерная модель трансформации фазовых диаграмм.

Модель позволяет проследить изменение диаграмм, строить и анализировать поверхности изменения любого элемента, выполнять обоснованный прогноз малоизученных фазовых диаграмм в данном ряду систем.

В главе 4 представлена информационная система для изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз в углеводородных системах. В этой прикладной задаче представлена как технология работы с экспериментальными данными, так и аппарат математического моделирования.

В настоящее время разработано большое количество прикладного программного обеспечения для задач учета и прогнозирования сложных многофакторных систем объектов нефтедобычи и бурения, которое работает как на верхних, так и на нижних информационных уровнях. На нижнем уровне (слой АСУ ТП) границы наблюдаемых и управляемых технологических процессов — эт устья скважины на кусте скважин до пункта сдачи товарной нефти в магистральный трубопровод. На этом участке водогазонефтяная эмульсия в виде изначально единого потока (с механическими примесями) проходит по эазличным агрегатам, которые выполняют свои функции по изменению шраметров и свойств потока и превращению его в воду, газ, нефть. Здесь,^{посредственно} в цехах по добыче нефти и газа на основе данных по замерам *ебитов жидкости, обводненности продукции и времени работы скважин формируется первичный документ оперативной отчетности по добыче нефтимесячный эксплуатационный рапорт. По каждой скважине в месячном эксплуатационном рапорте содержится информация о ее принадлежности к деторождению (лицензионному участку) и объекту эксплуатации, способе ксплуатации, дебите нефти, обводненности продукции, отработанном времени и [обыче нефти в отчетном месяце и с начала года. Следует отметить, что еще на ервых этапах создания микропроцессорных систем контроля и управления ехнологическими процессами (SCADAchctcm) разработчики стремились редоставить пользователю гибкую, понятную систему графического представления технологического процесса на экране монитора, которую можно было бы легко, на ходу перестраивать, дополнять, развивать [30,31,84].

Чтобы удовлетворять современным функциональным требованиям и тенденциям, наиболее передовые АСУ ТП сегодня реализуются на основе объектно-ориентированного подхода. Это предполагает использование библиотек предметных объектов, начиная от объекта «датчик» и завершая такими объектами, как «ДНС» или «техпроцесс».

В последние годы широкое развитие и применение при проектировании и анализе разработки и эксплуатации месторождений природных углеводородов получили двухи трехмерные композиционные модели, описывающие изменение давления, составов и свойств пластовых флюидов с учетом реального расположения сетки добывающих и нагнетательных скважин в неоднородных по коллекторным свойствам залежах. В композиционных моделях фазовое состояние пластовых смесей рассчитывается не на базе корреляций, полученных ю данным экспериментальных исследований, а с использованием уравнений состояния. Использование уравнений состояния находит широкое применение и i современных гидродинамических моделях, описывающих неизотермические 1роцессы притока пластовых смесей к добывающим скважинам и их движение кемной поверхности, обработку добываемого сырья и транспортировку гродукции в трубопроводах.

Однако, несмотря на возрастающее число теоретических исследований, далеко не в каждом случае обеспечивается достаточное соответствие моделей сально происходящим промысловым процессам, что усложняет корректную ценку эффективности технологических схем разработки и обустройства [есторождений, систем сбора и подготовки нефти. Одним из новых путей ешения проблемы, сочетающим оптимальный объем лабораторных сследований и расчетные методы, основанные на закономерностях состава и войств нефтегазовых систем, выявленных в процессе постоянно накапливаемых экспериментальных данных, может быть использование технологии информационных систем для работы с эмпирическими и расчетными данными, в которые в качестве активных данных включены расчетные модули.

Главы 5 и 6 посвящены информационному моделированию и методологии создания прикладных пакетов для городских кадастровых систем.

Методология разработки информационных систем (ИС) для градоустройства в нашей стране успешно развивается А. И. Рюмкиным, В. И. Гладким, Б. А. Гладких, Ю. Л. Костерюком и другими исследователями и разработчиками.

В настоящее время города оказались самыми заинтересованными из всех уровней объектов управления, реально вкладывающими финансы в информационные технологии. При этом общепризнанно, что грамотно спроектированная информационная база земельного кадастра обеспечивает единую точку доступа к самой разной информации, собираемой в городских службах. Иными словами, городской земельный кадастр обеспечивает технологическую возможность надежного функционирования городской информационной среды. По мере накопления данных система земельного садастра позволяет перейти к земельно-имущественному кадастру и, далее, к щтеграции с другими ведомственными информационными системами. Представляется актуальной разработка таких методов формирования шформационных кадастровых баз, которые позволяют перейти от статического: адастра к динамической системе, которая не только обеспечивает сбор, (бработку и хранение информации, но и, в перспективе, способна максимально 'частвовать в управлении на муниципальном уровне.

Содержимое кадастровой информационной системы обычно определяется одной стороны нормативными документами федерального уровня, а другойегиональными задачами Анализ этих требований позволяет выделить две взаимосвязанные составляющие информационной базы городских кадастровых систем.

Первая составляющая — установленная государством система учета, регистрации и оценки кадастровых объектов.

Вторая составляющая информационной базы — данные, представляющие особый интерес для решения задач на муниципальном уровне.

Например, для городского земельного кадастра: первая составляющая направлена на регулирование земельных отношений и включает сведения о правовом, хозяйственном и природном состоянии земель (техническое, экономическое и правовое описание земель). Это достаточно стабильная, в основном, семантическая часть информационной базы, которая обязательна для всех подразделений, ответственных за земельный кадастр поселения. В первую эчередь, сюда относится правовая и регистрационная инвентаризациязыделение кадастровых районов, зон, участков, присвоение кадастровых номеров, поддержка адресного реестра и т. д. Эта информация сравнительно эедко обновляется и здесь основные проблемы в первоначальном заполнении) азы. Вторая составляющая — мелкомасштабные картографические слои, зоны радостроительной ценности, поддержка избирательных компаний, а также все юпекты земельного кадастра, которые связаны с земельными платежами и >перациями с земельными участками, дающими доход в бюджет — земельный [алог, арендная плата, нормативная цена земли и т. п. Изменение этих данных [роисходит значительно чаще. По этим изменениям требуется хранить историю, юлее того, на местном уровне часто возникают новые задачи, требующие ополнения кадастровой базы, как новыми атрибутами, так и новыми екторными слоями с соответствующей семантикой.

Государственная система учета и муниципальная составляющая нформационной базы кадастра во многом пересекаются, дополняя друг друга. В вух последних главах работы представлены результаты разработки таких методов формирования, использования и обновления информационной базы кадастров поселений, которые интегрируют эти блоки в единой информационной базе.

Отметим, что эффективный обмен данными различных муниципальных ИС возможен только в том случае, если еще на этапе проектирования предполагается соблюдение неких общих принципов, гарантирующих их открытость.

Открытость муниципальных ИС является концептуальной основой для коммуникационных процессов. Она определяет все задачи, решаемые при организации эффективного взаимодействия различных ИС, группируя их по перечисленным выше уровням.

Использование слоистой модели проектирования открытой кадастровой ИС имеет многочисленные достоинства, как при разработке конкретной системы, гак и при организации обмена данными между различными системами: • облегчает решение сложных задач, разбивая их на несколько независимых уровней, связанных между собой с помощью специально разработанных стандартных интерфейсов, что упрощает взаимодействие- «поскольку множества операций на разных уровнях не пересекаются, то это дает возможность разработчику сосредоточится лишь на реализации функций одного уровня.

Последнее важно, потому что при внесении изменений на одном уровне, 1ет необходимости менять что-либо на других.

Информационная система моделируется как система взаимодействующих 1ежду собой самодостаточных информационных объектов, в совокупности юделирующих все реальные объекты учета и существенные связи между ними. *се информационные объекты проектируются так, чтобы их можно было: аращивать, с минимальными изменениями старой конструкции. В эти нформационные объекты помимо данных, включены функции (методы), озволяющие получать вычисляемую информацию. Описаны пользовательские автоматизированные рабочие места, предназначенные для ведения земельного кадастра и использования кадастровой информации различными муниципальными службами.

Сформированная таким способом информационная система обеспечивает возможность создания на основе земельного кадастра любой информационной системы (градостроительной — архитектурной, городской, транспортной, инженерных коммуникаций, социальной, экологической и т. д.). Следующие автоматизированные рабочие места (АРМ) обслуживают задачи ведения земельного городского кадастра:

• земельные дела (инвентаризация),.

• подготовка документов,.

• межевое дело (геодезия),.

• экспликация земель,.

• садоводческие товарищества,.

• гаражные кооперативы,.

• овощехранилища. РМ для решения муниципальных задач:

• аренда,.

• инспекция (учет правонарушений),.

• реклама,.

• руководитель.

Пользуясь приятной возможностью, автор выражает глубокую •лагодарность Юрию Серафимовичу Колесову, который во многом определил управление исследований, связанных с математической экологией, и Олегу 1алерьевичу Андрееву, совместная работа с которым позволила создать нформационную систему для задач физико-химического анализа и которая, адеюсь, позволит и дальше развивать это перспективное направление.

Результаты исследования выбранного класса экологических моделей позволяют утверждать о существенной роли малых миграционных факторов в задачах экологии.

В задаче о динамике численности изолированной популяции, при достаточно малом коэффициенте подвижности численности локальных популяций не успевают синхронизироваться, что приводит к рассогласованию колебаний по фазе и их хаотичности.

При малой подвижности вида пространственно неоднородные решения появляются даже в однородной среде. Учет мозаичность ареала обитания и пространственной неоднородности мальтузианского коэффициента приводит к тому, что это свойство решений становится более ярко выраженным. При этом неоднородное сопротивление среды полезно виду: увеличивается в среднем усредненная численность и минимум численности.

Учет внешнего воздействия на популяцию позволяет сделать следующие выводы.

Если среда обитания популяции не является однородной, а подвижность мала, то стратегию отбора из популяции можно выбрать так, что возрастут сдвиги по фазе между колебаниями численности в различных частях ареала обитания. При этом средняя по ареалу численность близка к постоянной.

Отбор, ориентированный только на высокую численность, приводит к синхронизации колебаний.

Уменьшение значения средней численности, на которую ориентирован отбор, приводит к уменьшению амплитуды колебаний и увеличивает расстояния между пиками колебаний. Если отбор проводить при еще более низком значении средней численности, то колебания исчезают. Если стратегия отбора такова, что, начавшись при достижении некоторой величины, он ведется фиксированное время Т, то увеличение интервала Т приводит к потере периодичности, синхронизации колебаний и увеличению амплитуды и расстояний между пиками.

Если отбор проводить периодически и независимо от значений средней численности, то колебания численности синхронизируются по всему ареалу. Сдвиги по фазе между колебаниями численности в различных частях ареала удается получить за счет уменьшения коэффициента подвижности.

В задаче о конкуренции двух видов за общий ресурс подвижности видов могут быть подобраны так, что два близких вида будут сосуществовать и в том случае, когда в упрощенной модели один из видов обязательно вытеснится.

Увеличение коэффициента подвижности приводит к повышению конкурентоспособности вида. В частности, численность менее подвижного вида может быть сильно ограничена или даже более того — подвижный вид может полностью вытеснить менее подвижный и в том случае, когда произведение коэффициентов конкуренции немного меньше единицы.

Миграция и мозаичность среды обитания приводят к уменьшению амплитуды колебаний. Например, возможна ситуация, когда численность менее подвижного вида все время мала. При этом колебания основного вида существенно гасятся. Отметим, что только в этом случае колебания близки к периодическим.

Для случая двух близких видов, один из которых является ведущим. Конкуренция выгодна главному виду, так как приводит к стабилизации колебаний его численности. Это косвенно может объяснять причину сосуществования в природе близких видов, например, среди массовых видов грызунов.

В задаче хищник-жертва при учете миграции хищника даже в однородном ареале возможно существование многих существенно различных пространственно неоднородных устойчивых стационарных режимов. Такую ситуацию можно интерпретировать как своеобразную хаотичность динамики численности. Под влиянием внешних факторов экосистема переходит на другой режим. В этом случае ее динамика становится слабо прогнозируемой.

В модели с учетом миграции хищника за границу ареала обитания, усредненная численность хищника возрастает. Учет таких дополнительных факторов, как неоднородное сопротивление среды, подвижность жертвы, имеют тенденцию «гасить» колебания, оставляя один режим.

Таким образом, появление нескольких качественно различных режимов может быть связано либо с чрезмерной идеализацией (например, не учитывается мозаичность среды обитания), либо с завышением некоторых биологических параметров (в ряде случаев в расчетах использовался завышенный мальтузианский коэффициент у хищника).

Во всех перечисленных выше задачах, при увеличении коэффициента подвижности, режим становится пространственно однородным и его динамика совпадает с решением соответствующей точечной модели.

В настоящее время выделились два подхода к автоматизации построения фазовых диаграмм. Первый основан на энергии Гиббса фаз, и расчете фазовых равновесий «на лету» из энергий Гиббса. Второй заключается в экспериментальном построении фазовой диаграммы методами физико-химического анализа.

В работе предложена информационная система для хранения результатов экспериментов и построения фазовых диаграмм не только по результатам опытов с конкретной системой, но и по модели использующей трансформацию фазовых диаграмм в ряду систем. Такой подход успешно применен для бинарных систем. В частности, созданы компьютерные модели трансформации фазовых диаграмм в системах AnS — L112S3 (А11 = Са, Sr, ВаLn = La — Lu, Y). На основе созданных моделей спрогнозированы фазовые диаграммы 18 малоизученных систем.

Естественно, что для работы с многокомпонентными химическими соединениями в информационную систему следует включить объектные модули, позволяющие, исходя и данных по двумерным системам, определять термодинамические характеристики и осуществлять расчет фазовых равновесий из энергий Гиббса.

Для изучения состава и свойств газовой и жидкой фаз в углеводородных системах создана информационная система, позволяющая как оперативно решать однотипные задач на стадии анализа вариантов проектирования с использованием наиболее доступной первичной информации так и выполнять комплексный анализ накопленного экспериментального материала по свойствам пластовых и дегазированных нефтей.

Кадастровая информационная системы была разработана для задач городского землеустройства. Любой кадастр неотрывно связан с понятием учета, оценки состояния и использования учитываемых объектов, то есть, любая кадастровая деятельность предполагает выделение однородных объектов учета, с использованием количественных и качественных характеристик. Особую роль среди городских кадастровых систем играет земельный кадастр. Сбор, хранение данных, а также эффективные способы представления доступа потребителей к разнообразной информации имеющей пространственную привязку имеют огромное значение для формирования информационной среды поселений. В настоящее время общепризнанно, что грамотно спроектированная информационная база земельного кадастра обеспечивает единую точку доступа к самой разной информации, собираемой в городских службах. Иными словами городской земельный кадастр обеспечивает технологическую возможность надежного функционирования городской информационной среды.

Анализ различных технологий и подходов к проблеме автоматизация, земельных кадастровых работ позволяет сделать вывод, что здесь предполагает не написание единой программы, которая включает все функции кадастра, а требует создания такой максимально открытой информационной системы, которая обеспечивает возможность многим узко — специализированным программам эффективно использовать земельную кадастровую информацию.

Разработана технология формирования, использования и обновления информационной базы кадастров поселений. Предложена иерархия информационных объектов, составляющих основу городского земельного кадастра. На базе Тюменского городского земельного комитета осуществлена практическая реализация земельного кадастра, обеспечивающая постепенный переход от статического земельного кадастра к динамической информационной системе, участвующей в управлении муниципальным образованием.

Заключение

.