Вологодский научный центр Российской академии наук
RuEn
Описание и актуальность научной проблемы исследования
В настоящее время ресурсный потенциал лесных систем в РФ используется в недостаточной степени. Одной из причин такого положения является их затрудненная транспортная доступность, делающая заготовительный процесс в краткосрочной перспективе нерентабельным. Однако, с учетом восстанавливаемости лесных ресурсов, разумно рассматривать инвестиции в систему заготовки с точки зрения долгосрочной перспективы. В связи с этим, разработка инструментария, позволяющего обосновывать экономическую эффективность формирования инфраструктуры лесозаготовительной системы, является актуальной задачей. Данная задача является сложной ввиду необходимости учета множества различных факторов (географических, экологических, природных, технологических, социальных, экономических, организационных), специфичных для разных регионов. Она может иметь множество решений, различных по своей эффективности. С учетом потенциально больших затрат, ошибки при принятии решений по формированию системы лесозаготовки будут иметь существенные негативные экономические последствия для инвестора. На сегодняшний день не существует инструментария решения таких задач, обеспечивающего нахождение адекватного результата.
Высокая степень актуальности проекта с практической точки зрения определяется необходимостью научного обеспечения реализации "Стратегии развития лесного комплекса Российской Федерации до 2030 года", утвержденной распоряжением Правительства РФ от 11 февраля 2021 года №312-р. Согласно этому документу, вклад лесной отрасли в экономику России к 2030 году должен увеличиться в два раза – до 1,14 трлн рублей. Выход на такие показатели предусматривается за счет перехода к интенсивной модели ведения лесного хозяйства, в т.ч. проведения комплексных мероприятий по цифровизации отрасли, развитию механизмов лесовосстановления, поддержке перерабатывающей инфраструктуры и расширению сети лесных дорог. Результаты работы научного коллектива будут соответствовать задачам Стратегии и могут быть использованы для научного обоснования мероприятий, направленных на повышение эффективности лесной отрасли на национальном и региональном уровнях.
Состав научного коллектива:
д.э.н. Гулин Константин Анатольевич (руководитель)
к.т.н. Дианов Сергей Владимирович
к.э.н. Алферьев Дмитрий Александрович
аспирант Дианов Даниил Сергеевич
Основные результаты выполнения проекта
В ходе выполнения проекта решен комплекс задач, направленных на решение обозначенной в заявке фундаментальной научной проблемы повышения эффективности использования ресурсов на основе новых подходов к моделированию размещения производственной инфраструктуры. В этом контексте получены научные результаты, связанные с расширением концепции пространственных сетей в части процесса их синтеза и оценки эффективности за счет использования агент-ориентированного подхода, что обеспечило получение более качественных результатов при решении задач пространственного размещения объектов в различных предметных областях. С научно-прикладной точки зрения результаты проекта связаны с решением проблемы создания методического инструментария, обеспечивающего принятие решений по формированию эффективной системы заготовки лесных ресурсов территорий на базе научно-обоснованных методов.
Основные научные результаты, полученные в ходе реализации проекта в 2022-2023 гг., обладающие научной новизной.
1. Разработана архитектура параметров, необходимых для взаимодействия виртуальных объектов в моделируемой компьютерной среде, основанная на принципе взаимодействия распределенных в пространстве объектов, поставщиков и потребителей сервисов, сформулированного в рамках предложенной концепции агент-ориентированного моделирования. Она позволяет формировать поведенческие механизмы взаимодействия объектов в конфигурации заданной территориальной транспортной сети, обеспечивающей использование лесных ресурсов. Предложенная архитектура параметров является основой выделения конкретных формализованных числовых характеристик элементов моделей, необходимых для взаимодействия виртуальных объектов в моделируемой компьютерной среде. В связи с многоаспектностью задач по созданию среды, обеспечивающей эффективное использование лесных ресурсов территории, каждая конкретная модель может содержать свой набор числовых характеристик, используемых в механизмах взаимодействия объектов. Разработанный подход обеспечивает возможности итерационного формирования перечня характеристик, которые могут в дальнейшем использоваться для построения моделей, решающих задачи в обозначенной предметной области. В рамках проекта на текущий момент времени проработана структура характеристик элементов модели для прототипа агент-ориентированной модели инфраструктуры лесозаготовки. Значимость данной работы заключается еще и в демонстрации подходов к практической интерпретации предложенной концепции.
2. Сформирован перечень правил создания разрабатываемой агент-ориентированной системы управления лесным комплексом территории. В результате проведенного анализа используемых подходов к построению агент-ориентированных моделей выявлено, что их создание осуществляется без использования формализованной методологической основы. Это в значительной степени усложняет интерпретацию и верификацию данных моделей, что сказывается на восприятии адекватности получаемых результатов. Новым научным результатом является развитие концепции создания агент-ориентированных моделей, основанной на использовании сервис-ориентированного подхода для моделирования инфраструктурной составляющей системы использования лесных ресурсов территории. Она определяет основные правила создания разрабатываемой агент-ориентированной системы управления лесным комплексом: определение целевых показателей и критериев оценки эффективности функционирования системы в условиях существования мобильных элементов; формирование пространственного графа функционирования системы с учетом существующей инфраструктуры, способного отображать мобильность элементов системы; определение состава и параметров объектов системы в соответствии с сервис-ориентированной парадигмой; определение моделей поведения объектов системы с учетом их мобильности, и направленности на предоставление/потребление сервисов; распределение объектов системы в узлах пространственного графа; обеспечение возможности манипулирования параметрами и структурой пространственного графа, структурой и параметрами объектов, первичным распределением объектов в узлах пространственного графа; обеспечение возможности интерактивного получения результатов; интегрированность моделей с информационными системами, содержащими информацию о реальных процессах в системе. Разработана архитектура среды формирования агент-ориентированных пространственно-распределенных систем. Основная ее парадигма заключается в том, что реконфигурация системы должна осуществляться интерактивно по результатам ее моделирования. При этом должно быть соблюдено условие соответствия модели и системы при изменении характеристик последней. Элементы архитектуры: подсистема мониторинга, в функции которой входит отслеживание значимых изменений состояния системы с последующей инициацией синтеза агент-ориентированной модели; подсистема синтеза модели (использует механизм онтологий); подсистема принятия решений, которая на основании полученных выводов осуществляется реконфигурацию системы. Разработанная архитектура среды формирования агент-ориентированных пространственно-распределенных систем в своем потенциале может стать эффективным механизмом их самоорганизации.
3. Разработана концептуальная схема взаимодействия и работы моделируемой агент-ориентированной системы; концептуальные схемы функционирования отдельных объектов моделируемой агент-ориентированной системы как в рамках внутри самих себя, так и при взаимодействии с другими ее элементами. Созданы концептуальные схемы функционирования моделируемой агент-ориентированной системы и ее объектов, отличительной особенностью которых является их ориентация на сервис-ориентированную концепцию построения агент-ориентированных моделей. Осуществлено формальное описание разработанных схем. В соответствии с ним, модель содержит три типа элементов: узлы, пути и объекты. Узлы представляют собой точки в некотором пространстве, где могут располагаться объекты модели. По путям, соединяющим узлы, могут осуществлять передвижение мобильные объекты модели. Пути могут объединяться в маршруты, определяя возможность передвижения, в том числе между несоединенными напрямую узлами. Объекты могут обозначать широкий диапазон разнообразных элементов моделируемой системы. Для каждого элемента модели определен и описан набор характеризующих его атрибутов. Для объектов дополнительно определены следующие структурные элементы: наборы потребностей и предоставляемых сервисов; наборы активизированных потребностей и сервисов; модели поведения. Отработка потребностей и сервисов осуществляется в рамках модели поведения объекта. Модели поведения отображаются в модулях, содержащих функциональные правила. Структура модулей зависит от мобильности объекта. В модели поведения объекта-потребителя услуг определены модули идентификации и реализации потребностей. При поиске поставщика сервиса объекты могут использовать активное и пассивное поведение. В модели поведения объекта-поставщика сервисов определены модули: идентификации сервисов, принятия обязательств по предоставлению сервиса и предоставления сервиса. Модуль идентификации сервисов используется в случаях, когда объект, предоставляющий сервис осуществляет самостоятельный поиск объектов, нуждающихся в данном сервисе. Для модулей определены входные параметры и разработаны алгоритмы реализации функциональных правил.
4. Сформирована схема принятия управленческих решений на основании реализации разработанной системы. В соответствии с разработанной концепцией создания агент-ориентированных моделей определена схема принятия управленческих решений. Она использует результаты, зафиксированные в процессах взаимодействия объектов модели при оказании услуг. Взаимодействие осуществляется в конфигурации территориальной транспортной сети, которая определяет характеристики взаимодействия. В процессе оказания услуг формируются значения заданного набора параметров оценки успешности функционирования модели – целевых показателей. Основная цель моделирования заключается в нахождении при имеющихся ресурсах (ограничениях) наиболее оптимальной архитектуры функционирования моделируемой системы (структуры транспортной сети, количества, характеристик и мест постоянной дислокации объектов) исходя из значений целевых показателей. В процессе моделирования формируются различные архитектурные композиции моделируемой системы. Количество возможных вариантов ограничивается спецификой предметной области и имеющимися ограничениями ресурсов. Производится моделирование по каждому из вариантов в течение определенного времени моделирования. По результатам рассчитываются значения показателей эффективности модели, которые являются производными от значений параметров объектов модели, фиксируемых в ходе моделирования. Набор полученных показателей для каждой модели сравнивается с набором целевых показателей. По результатам определяется наиболее оптимальный вариант архитектуры моделируемой системы.
5. Разработан алгоритм конкретных шагов и стадий, необходимый для проектирования и реализации агент-ориентированных моделей, обеспечивающих поддержку принятия решений по формированию эффективной инфраструктуры для использования лесных ресурсов. Он базируется на сервис-ориентированном подходе к проектированию агент-ориентированных моделей, и включает последовательный и полный цикл этапов, начиная с анализа предметной области и заканчивая практической реализацией и эксплуатацией моделей. Его отличительной особенностью является использование на этапе концептуального проектирования разработанных схем функционирования моделируемой агент-ориентированной системы и ее объектов. На первой стадии осуществляется разработка вербальной модели. Здесь осуществляется формальное описание моделируемой системы, определяются цели моделирования, целевые показатели и критерии оценки модели. На стадии концептуального проектирования среды функционирования объектов определяются элементы пространственного графа (узлы и пути) и их атрибуты. Данный процесс с одной стороны осуществляется с учетом существующей среды реальной предметной области, а с другой стороны может содержать элементы ее предполагаемого развития. Затем следует стадия концептуального проектирования объектов модели. На основе анализа вербальной модели в соответствии сервис-ориентированным подходом идентифицируются объекты модели. В результате получается набор объектов с закрепленными за ними потребностями и сервисами, параметрами мобильности, атрибутами и структурой модулей моделей проведения. На стадии формализации модели прорабатывается содержание модулей моделей поведения объектов. В ходе реализации шагов данной стадии происходит уточнение концептуальной модели среды функционирования объектов и концептуальной модели объектов. Следующая стадия – формирование архитектуры агент-ориентированной модели. На основе анализа результатов, полученных на стадиях концептуализации и формализации, определяется состав и структура агентов модели. Здесь же определяются наборы управляемых параметров и параметров оценки результатов моделирования, а также механизмы формирования параметров оценки результатов моделирования. Далее следует стадия реализации модели. Осуществляется с использованием программного инструментария. Формируется первоначальный набор элементов модели, задаются их начальные параметры и пространственное размещение. На стадии эксплуатации модели осуществляется проведение экспериментальных исследований, связанных с изменением управляемых параметров. Для отдельных целей моделирования системы (при необходимости оценки ее различных конфигураций) может быть определена стадия реконфигурации модели. Здесь возможны два варианта: во-первых, повторение стадий реализации (формирование новой конфигурации первоначального набора элементов модели, их начальных параметров и пространственного размещения) и экспериментальных исследований; во-вторых, повторение стадии концептуального проектирования среды функционирования объектов (реконфигурация среды функционирования агентов) с последующим повторением стадий реализации и экспериментальных исследований. Заключительная стадия связана с оценкой полученных результатов. Алгоритм конкретных шагов и стадий, необходимый для проектирования и реализации агент-ориентированных моделей, был апробирован в рамках создания прототипа агент-ориентированной модели инфраструктуры лесозаготовки.
6. Разработаны критерии выбора среды моделирования для создания агент-ориентированной модели управления лесозаготовками. Критерии соответствуют разработанной в рамках первого этапа концепции проектирования агент-ориентированных моделей: обеспечивать возможность создания пространственной сети, возможностей ее интеграции с геоинформационными системами; обеспечивать возможности адаптации к сервис-ориентированному подходу при формировании элементов; обеспечивать возможности формирования поведения агентов в части их мобильности. Они обеспечивают возможность определять пригодность и эффективность использования инструментария для решения задач моделирования эффективного использования лесных ресурсов. Разработанные критерии апробированы при выборе инструментария для создания агент-ориентированной модели управления лесозаготовками. Обеспечение возможности создания пространственной сети, возможностей ее интеграции с геоинформационными системами рассмотрено с точки зрения разработанного механизма пространственного отображения объектов в агент-ориентированных моделях лесозаготовительных систем. Он позволяет обеспечить связь параметров объектов дорожных сетей с элементами агент-ориентированных моделей. Критерии обеспечивают оценку механизмов интеграции среды моделирования с ГИС по следующим аспектам: возможности импорта отдельных элементов дорожной сети в пространство модели; возможности создания элементов дорожной сети с использованием механизмов среды моделирования; возможность интеграции этих групп элементов в рамках общей дорожной сети пространства моделирования; возможности установления связей между элементами сформированной дорожной сети и агентами модели – как использующих ее, так и отображающих ее состояние. Критерии обеспечения возможности адаптации к сервис-ориентированному подходу при формировании элементов модели направлены на анализ механизмов реализации поведения агентов в среде моделирования. Они позволяют определить степень реализуемости следующих аспектов предложенной концепции: формирование модулей реализации сервисов, обеспечивающих их активизацию, планирование и предоставление; создание среды по использованию сервисов; синхронизация этапов реализации сервисов в моделях поведения агентов поставщиков и потребителей сервисов; хранение информации об активированных сервисах. Критерии обеспечения возможности формирования поведения агентов в части их мобильности направлены на выявлении возможностей среды моделирования по имитации передвижения агентов по дорожной сети модельного пространства, а также возможностей по реализации в поведении агентов механизмов планирования и осуществления перемещения. Они позволяют дать оценку следующим значимым для рассматриваемого типа моделей аспектам: наличие и возможности механизмов манипулирования параметрами пространственного перемещения агентов; возможность реализации алгоритмов планирования агентами способов и путей перемещения; наличие механизмов взаимодействия агентов в процессе предоставления сервисов по перемещению.
7. Апробирована методика создания агент-ориентированных моделей эффективного использования лесных ресурсов территории. Апробация произведена при создании модели реальной системы - системы лесозаготовки в Бабушкинском муниципальном округе Вологодской области. Это позволило уточнить методику в отдельных аспектах, а также расширить опыт ее практической интерпретации. Алгоритм конкретных шагов и стадий, необходимый для проектирования и реализации агент-ориентированных моделей, был апробирован в рамках создания концепта агент-ориентированной модели системы лесозаготовки на территории Бабушкинского муниципального округа Вологодской области. В результате была разработана вербальная модель системы, в которой определены цели моделирования, целевые показатели и критерии оценки модели. На основе вербальной модели построена контекстная диаграмма системы. С опорой на контекстную диаграмму проведено концептуальное проектирование модели. В соответствии сервис-ориентированным подходом идентифицирован набор объектов модели с закрепленными за ними потребностями и сервисами, параметрами мобильности, атрибутами и структурой модулей моделей проведения. Определена структура элементов пространственной среды модели. По результатам концептуального проектирования осуществлена формализация модели, в рамках которой получены описания модулей моделей поведения агентов. Разработана общая архитектура модели, в которой определены состав и структура агентов модели, наборы управляемых параметров и параметров оценки результатов моделирования, а также механизмы формирования параметров оценки результатов моделирования. На основе разработанной архитектуры осуществлена реализация модели в среде агент-ориентированного моделирования. Опыт практического использования разработанной методики позволяет говорить об эффективности ее применения при создании агент-ориентированных моделей пространственно-распределенных систем.
8. Созданая агент-ориентированная модель управления лесозаготовками, построенная на базе системы лесозаготовки в Бабушкинском муниципального округа Вологодской области, реализованная в формате компьютерной программы в среде имитационного моделирования AnyLogic. При этом продемонстрированы основные аспекты методов и механизмов функционирования агент-ориентированных моделей эффективного использования лесных ресурсов территории, разработанных в рамках первого этапа проекта, что позволило оценить практическую значимость полученных результатов. В среде моделирования AnyLogic создан концепт агент-ориентированной модели лесозаготовок на территории Бабушкинского муниципального округа Вологодской области. С использованием интеграционных механизмов среды моделирования с геоинформационными системами, а также имеющихся в агент-ориентированной среде специализированных элементов создания графических объектов сформирована пространственная структура элементов модели. В соответствии с разработанной архитектурой модели осуществлена практическая реализация различных типов агентов, включающая создание набора параметров и механизмов формирования поведения, а также осуществлена реализация элементов и механизмов управления и получения результатов на общемодельном уровне. Сформирован пул агентов модели и осуществлено их размещение в модельной среде. В результате был создан концепт модели, с использованием которого можно осуществлять эксперименты с получением результатов оценки различных вариантов конфигурирования управляемой системы.
9. Получены результаты вычислительных экспериментов по оценке эффективности территориальной системы управления лесозаготовками. Эксперименты проведены на основе реальных данных о системе лесозаготовки на данных Бабушкинского муниципального округа Вологодской области. Апробированы различные схемы проведения экспериментов. Это позволило сформировать организационно-методические механизмы экспериментальных исследований с использованием моделей, а также механизмы их верификации. Анализ полученных результатов позволил дать оценку практической пригодности разработанных в рамках проекта моделей и методов построения агент-ориентированных моделей эффективного использования лесных ресурсов территории, определить перспективы их применения. На базе реализованного концепта агент-ориентированной модели лесозаготовок на территории Бабушкинского муниципального округа Вологодской области в соответствии с разработанной схемой принятия управленческих решений проведены эксперименты по оценке эффективности различных вариантов конфигурации системы. При этом изменению подвергался количественный состав агентов, их параметры и места размещения, а также управляющие параметры, такие как размер изъятия различных пород древесины на участке, период между изъятиями древесины различных пород на участках, стоимость различных пород древесины, стоимость топлива для лесозаготовительной техники, объем выделенных средств на восстановление дорог и др. В качестве основного целевого показателя использовалась общая рентабельность лесозаготовительных работ. Проведенные эксперименты позволили сформировать подходы к верификации отдельных механизмов модели, таких как параметры перемещения лесозаготовительной техники по дорожной сети. В дальнейшем модель может быть развита за счет ее дополнения новыми массивами данных и апробации на материалах лесных участков других территориальных округов субъектов РФ.
Результаты реализации проекта были опубликованы в 12 статьях, в том числе 3 из них - в изданиях, индексируемых в базах научного цитирования Web of Science и Scopus, а также представлены 8 докладах на 6 российских и международных научных конференциях. Подготовлена рукопись монографии, планируемая к изданию в 2024 г.