SOFTWARE FOR MODELING AND FORECASTING OF THE BASIC INDICATORS OF NATIONAL SECURITY OF THE RUSSIAN FEDERATION
Authors:
1.
Balakovsky branch of the Russian Presidential Academy of National Economy and Public Administration
Type:
Article
Pages:
from 94
to 100
Status:
Published
Received:
05.07.2016
Accepted:
25.07.2016
Published:
25.07.2016
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.415.2
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK 004.415.2
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
Language:
Russian
Keywords:
national security, mathematical model, system dynamics, software product
Abstract (English):
The main indicators of national security, according to Presidential Decree N 683 "On National Security Strategy of the Russian Federation" are: satisfaction of citizens with a degree of protection of their constitutional rights and freedoms, personal and property interests, including criminal encroachments; share of the modern weapons, military and special equipment in the Russian Armed Forces; life expectancy; gross domestic product per capita; inflation; share of expenditure in the gross domestic product for culture, as well as for the development of science, technology and education; a part of the territory of the Russian Federation, that do not meet the environmental standards. The mathematical basis of the program is a model of the system dynamics, which allows to formalize complex cause-and-effect relationships between the elements. The developed mathematical model, consisting of the following elements: the system levels (the simulated variables), streams conveying the content of one level to another, decision-making procedures and the channels of information, is described. The simulated variables in the developed model are the main indicators of Russian national security. Software product is developed in GUIDE MatLab and allows the calculation of the predicted values of national security indicators at varying time intervals and the given initial conditions. The diagram of the transition of program management focus is presented. The calculation algorithm of the program is based on the solution of the systems of ordinary differential equations by Runge - Kutta method of the 4th order. The main stages of the program operations are analyzed. The scope of the developed software product is described.
The main indicators of national security, according to Presidential Decree N 683 "On National Security Strategy of the Russian Federation" are: satisfaction of citizens with a degree of protection of their constitutional rights and freedoms, personal and property interests, including criminal encroachments; share of the modern weapons, military and special equipment in the Russian Armed Forces; life expectancy; gross domestic product per capita; inflation; share of expenditure in the gross domestic product for culture, as well as for the development of science, technology and education; a part of the territory of the Russian Federation, that do not meet the environmental standards. The mathematical basis of the program is a model of the system dynamics, which allows to formalize complex cause-and-effect relationships between the elements. The developed mathematical model, consisting of the following elements: the system levels (the simulated variables), streams conveying the content of one level to another, decision-making procedures and the channels of information, is described. The simulated variables in the developed model are the main indicators of Russian national security. Software product is developed in GUIDE MatLab and allows the calculation of the predicted values of national security indicators at varying time intervals and the given initial conditions. The diagram of the transition of program management focus is presented. The calculation algorithm of the program is based on the solution of the systems of ordinary differential equations by Runge - Kutta method of the 4th order. The main stages of the program operations are analyzed. The scope of the developed software product is described.
Keywords:
national security, mathematical model, system dynamics, software product
national security, mathematical model, system dynamics, software product
Введение Современное социально-экономическое и политическое состояние России характеризуется снижением темпов экономического роста, высоким уровнем инфляции, возрастанием числа угроз национальной безопасности. Закономерным следствием данных обстоятельств является снижение качества жизни граждан, что делает актуальным проведение исследований в области перехода страны к устойчивому развитию. Документом, в котором предложены меры по обеспечению национальной безопасности и переходу страны к устойчивому развитию, является Указ Президента РФ № 683 от 31.12.2015 «О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации» [1]. Стратегия стала ключевым документом стратегического планирования. В ней указаны национальные интересы и стратегические национальные приоритеты РФ, цели, задачи и меры в области внутренней и внешней политики по укреплению национальной безопасности и обеспечению устойчивого развития страны на долгосрочную перспективу. В число основных показателей, необходимых для оценки состояния национальной безопасности, включены: удовлетворенность граждан степенью защищенности своих конституционных прав и свобод, личных и имущественных интересов, в том числе от преступных посягательств; доля современных образцов вооружения, военной и специальной техники в Вооруженных Силах России; ожидаемая продолжительность жизни; валовой внутренний продукт (ВВП) на душу населения; уровень инфляции; доля расходов в ВВП на культуру, а также на развитие науки, технологий и образования; доля территории РФ, не соответствующая экологическим нормативам. Большой вклад в исследования проблем безопасности страны и перехода страны к устойчивому развитию внесли такие ученые, как В. А. Коптюг, В. М. Матросов, А. Д. Гвишиани, В. А. Садовничий, А. А. Акаев, А. В. Коротаев. Однако результаты этих исследований должны быть актуализированы по причине появления новых угроз безопасности. Постановка задачи, таким образом, имеет следующий вид: необходимо разработать математическую модель и программное обеспечение для моделирования и прогнозирования основных показателей национальной безопасности России. Описание математической модели Для решения поставленной задачи используется модель системной динамики [2-4]. Основным преимуществом системного подхода является учет причинно-следственных связей между элементами модели. Модель имеет следующую структуру: системные уровни (моделируемые переменные), которые представляют собой накопления в цепях обратных связей; темпы, потоки, перемещающие содержимое моделируемых переменных; каналы информации, соединяющие моделируемые переменные. В качестве математической основы методов системной динамики [5] используются дифференциальные уравнения, включающие: - состояния системы: (1) где - вектор состояний системы; - вектор входных воздействий; t - время; - взаимосвязи входов и выходов системы: где - вектор выходов системы. При составлении дифференциальных моделей происходит выбор переменных состояний системы и устанавливаются связи между ними с помощью функций, содержащихся в правых частях уравнений (1). Фазовое пространство переменных состояний системы задается ограничениями: где - минимальные и максимальные значения основных показателей национальной безопасности, которые могут принимать переменные состояния системы. В разработанной модели системными уровнями (моделируемыми переменными) являются основные социально-экономические показатели национальной безопасности России: Х1 - удовлетворенность граждан степенью защищенности своих конституционных прав и свобод, личных и имущественных интересов, в том числе от преступных посягательств; Х2 - доля современных образцов вооружения, военной и специальной техники в Вооруженных Силах РФ, других войсках, воинских формированиях и органах; Х3 - ожидаемая продолжительность жизни; Х4 - ВВП на душу населения; Х5 - децильный коэффициент; Х6 - уровень инфляции; Х7 - уровень безработицы; Х8 - доля расходов в ВВП на развитие науки, технологий и образования; Х9 - доля расходов в ВВП на культуру; Х10 - доля территорий РФ, не соответствующая экологическим нормативам. При проведении расчетов применяются нормированные относительно значений 2000 г. показатели, которые представляют собой статистические данные, предоставленные Госкомстатом РФ [6], министерствами и ведомствами. Разработанная математическая модель - это система дифференциальных уравнений, описывающих состояние анализируемой системы. В модели приняты следующие обозначения: Х1(t) - текущий уровень удовлетворенности граждан степенью защищенности своих конституционных прав и свобод, личных и имущественных интересов, в том числе от преступных посягательств; Х2(t) - текущая доля современных образцов вооружения, военной и специальной техники в Вооруженных Силах РФ, других войсках, воинских формированиях и органах; Х3(t) - текущая ожидаемая продолжительность жизни; Х4(t) - текущий уровень ВВП на душу населения; Х5(t) - текущий уровень децильного коэффициента; Х6(t) - текущий уровень инфляции; Х8(t) - текущий уровень доли расходов в ВВП на развитие науки, технологий и образования; Х9(t) - текущий уровень доли расходов в ВВП на культуру; Х10(t) - текущий уровень доли территорий РФ, не соответствующей экологическим нормативам; Pl(t) -степень реализованности личных прав граждан; Pse(t) - степень реализованности социально-экономических прав (права на жилище, права на защиту прав и свобод, права на охрану здоровья, права на труд, отдых и пр.); Shpr(t) - число зарегистрированных преступлений; P(t) - численность населения; SO(t) - объем государственного оборонного заказа; E(t) - средняя заработная плата; Zd(t) - доля расходов ВВП на здравоохранение; BN(t) - заболеваемость населения; U(t) - уровень безработицы; De(t) - денежная эмиссия; H(t) - число учебных заведений; Tch(t) - численность профессорско-преподавательского состава с учеными степенями и званиями; Sr(t) - среднегодовой объем финансирования научных исследований; M(t) - миграция; PZ(t) - число промышленных предприятий; VZ(t) - объем выбросов загрязняющих веществ в воду, почву, воздух; Ze(t) - затраты на охрану окружающей среды. Функциональные зависимости в модели f1(X2)-f26(X4), учитывающие взаимовлияние моделируемых переменных, задаются экспертами [7]. При нормальных условиях, которые при сравнении принимаются за отправную точку, функциональные зависимости не должны изменять базисный темп моделируемой переменной, т. е. они равны 1. Если условия оказываются более благоприятными, чем нормальные, то значение функциональной зависимости должно быть больше 1, если менее благоприятными, то меньше 1. За нормальные условия в данной модели были приняты условия, существовавшие в России в 2000 г. Иными словами, функциональные зависимости системы имеют значение 1 всегда, когда значения уровней системы совпадают с их значениями в 2000 г. Например, для моделируемой переменной Х5 - децильного коэффициента, функциональные зависимости f15(X6), f16(X7) имеют вид полиномов третьей степени: В разработанной модели величины отдельных зависимостей не всегда можно определить с заданной точностью, кроме того, часто бывает сложно определить все обратные релевантные связи. Именно поэтому с целью проверки адекватности созданной модели были разработаны также регрессионные модели, построенные по статистическим данным за 2000-2015 гг. [8]. Разработка программного продукта Для того чтобы повысить скорость вычисления прогнозных значений основных показателей национальной безопасности и, как следствие, увеличить оперативность принятия управленческих решений, необходимо разработать проблемно-ориентированное программное обеспечение. В настоящее время на российском рынке программных продуктов представлено большое количество аналитических систем, разработанных с использованием новейших информационных технологий в системах поддержки принятия решений (СППР), таких как OLAP-сервер Hyperion Essbase, Oracle Discoverer, программные решения компании Cognos, Olap Services компании Microsoft, DSS/OLAP Business Objects. Среди систем, предлагающих достаточно полные, интегративные решения для поддержки всех уровней СППР, можно отметить разработки SAS Institute и российской компании «Прогноз». Особенностями программных продуктов данных компаний является отсутствие узкой специализации подобных систем. Как правило, они предназначены для создания единой инфраструктуры электронного межведомственного взаимодействия, оказания государственных услуг населению и бизнесу. Для автоматизации вычислений прогнозных значений основных показателей национальной безопасности в среде GUIDE MatLab разработана «Программа для моделирования и прогнозирования основных показателей национальной безопасности РФ», которая может стать элементом проблемно-ориентированных СППР, предназначенных для использования специалистами отделов экономического анализа и прогнозирования различных уровней власти. MatLab обладает рядом преимуществ перед другими программными средами, в частности использует проблемно-ориентированные функции, предоставляющие широкие возможности для решения задач конкретной научной отрасли. MatLab имеет объектно-ориентированную графическую систему и графический интерфейс пользователя. Широкие возможности высококачественной визуализации двух- и трехмерных графических изображений позволяют визуализировать результаты вычислений [9]. Для описания последовательности выполнения расчетов на рис. 1 приведена диаграмма перехода фокуса управления. На диаграмме представлены также основные управляющие компоненты программы. Рис. 1. Диаграмма перехода фокуса управления На первом этапе работы программы вводятся исходные данные. Пользователь выбирает системный уровень Х1-Х10, задает функциональные зависимости, определяющие взаимовлияние моделируемых переменных. Далее задается временной интервал и выбирается социально-экономический показатель, величину которого необходимо спрогнозировать: Х4 - ВВП на душу населения; Х5 - децильный коэффициент; Х6 - уровень инфляции; Х7 - уровень безработицы. Далее для расчета прогнозных значений основных показателей национальной безопасности необходимо ввести начальные значения Х0i, задать начальную и конечную точки временного интервала [t1; t2]. Программа визуализирует результаты расчета с помощью графика динамики показателей на заданном интервале. На следующем этапе программа выводит в диалоговое окно графовые модели, отражающие структуру взаимосвязей между элементами системы - показателями национальной безопасности. На заключительном этапе определяется значение критерия Z(t), смысл которого заключается в максимизации взвешенных отклонений основных показателей национальной безопасности от пороговых (критических) значений. Критерий позволяет оперативно отслеживать и контролировать состояние национальной безопасности страны: (2) Принятые обозначения: i = 1, …, j, (j = 1…10) - показатели национальной безопасности; Хip(t), Хif (t) - пороговые (критические) и фактические значения показателей национальной безопасности соответственно; µi - весовые коэффициенты, назначаемые экспертами; t1, t2 - начальная и конечная границы временного интервала. Величины весовых коэффициентов µi неизменны на всех временных интервалах. При задании значений весовых коэффициентов необходимо учитывать следующее условие:. На рис. 2 показано диалоговое окно программы, предназначенное для ввода значений весовых коэффициентов, используемых для расчета критерия (2) [10]. Рис. 2. Ввод исходных данных для расчета критерия Z(t) Для хранения статистической информации используется база данных, сформированная в среде табличного процессора MS Excel. Заключение Таким образом, в ходе исследований получены следующие результаты. На основе модели системной динамики разработана математическая модель, предназначенная для расчета прогнозных значений показателей национальной безопасности РФ на варьируемых временных интервалах при заданных начальных условиях. Для реализации математического обеспечения разработана программа, реализующая ряд функций по расчету прогнозных значений показателей национальной безопасности. Программа вычисляет значения социально-экономических показателей национальной безопасности, выводит в диалоговое окно графовые модели, отображающие структуру взаимосвязей между показателями. При помощи расчета критерия Z(t) программа позволяет осуществлять контроль состояния национальной безопасности РФ. Программа может быть использована как элемент информационной системы поддержки принятия решений специалистами отделов экономического анализа и прогнозирования администраций регионального и федерального уровней. Визуализация расчетов с помощью OLAP-технологий, формирующих многомерное представление данных и произвольные срезы анализируемых данных, может стать перспективным направлением усовершенствования программы.
1. O strategii nacional'noy bezopasnosti Rossiyskoy Federacii: Ukaz Prezidenta RF ot 31 dekabrya 2015 g. № 683 // Rossiyskaya gazeta. № 6871 ot 13.01.2016.
2. Forrester Dzh. Mirovaya dinamika. M.: AST; SPb.: Terra Fantastica, 2003. 379 s.
3. Yandybaeva N. V., Kushnikov V. A. Matematicheskaya model' dlya prognozirovaniya pokazateley akkreditacii vuza // Upravlenie bol'shimi sistemami: sb. tr. Vyp. 41. M.: IPU RAN, 2013. 423 s.
4. Yandybaeva N. V. Princip sistemnoy dinamiki v upravlenii kachestvom obrazovatel'nogo processa vuza // V mire nauchnyh otkrytiy. 2010. № 2 (08), ch. 3. S. 46-48.
5. Rezchikov A. F., Cvirkun A. D., Kushnikov V. A., Yandybaeva N. V., Ivaschenko V. A. Metody prognoznoy ocenki social'no-ekonomicheskih pokazateley nacional'noy bezopasnosti // Problemy upravleniya. 2015. № 5. S. 37-44.
6. Federal'naya sluzhba gosudarstvennoy statistiki. URL: http://www.gks.ru (data obrascheniya: 01.02.2016).
7. Yandybaeva N. V., Kushnikov V. A. Matematicheskaya model' dlya prognozirovaniya izmeneniy pokazateley nacional'noy bezopasnosti Rossii // Nauchnoe obozrenie. 2015. № 10. S. 115-120.
8. Klyuev V. V., Rezchikov A. F., Kushnikov V. A., Ivaschenko V. A., Bogomolov A. S., Filimonyuk L. Yu., Yandybaeva N. V. Matematicheskie modeli dlya kontrolya, diagnostiki i prognozirovaniya sostoyaniya nacional'noy bezopasnosti Rossii // Kontrol'. Diagnostika. 2016. № 3. S. 43-51.
9. Ketkov Yu. L., Ketkov A. Yu., Shul'c M. M. MatLAB 7.0: programmirovanie, chislennye metody. SPb.: BHV-Peterburg, 2005. 734 s.
10. Yandybaeva N. V., Kushnikov V. A. Matematicheskie modeli, algoritmy i kompleksy programm dlya monitoringa effektivnosti obrazovatel'noy deyatel'nosti vuza // Problemy upravleniya. 2015. № 1. S. 53-63.
