авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Методическое и программное обеспечение процессов выявления и представления знаний в интеллектуальных системах поддержки принятия решений

На правах рукописи

Смольянинова Валерия Аполлоновна

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

ПРОЦЕССОВ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ

В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПОДДЕРЖКИ

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Специальность: 05.13.11 – Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2011г.

Работа выполнена на кафедре МОВС государственного образова тельного учреждения высшего профессионального образования «Москов ский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» (МИРЭА).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Болотова Людмила Сергеевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Данчул Александр Николаевич кандидат технических наук, доцент Зубарев Игорь Витальевич

Ведущая организация: Московский физико-технический институт (государственный уни верситет)

Защита состоится 9 марта 2011 г. в 15.00 на заседании диссертаци онного совета Д 212.131.05 при МИРЭА по адресу: г. Москва, пр. Вернад ского, д. 78, в ауд. Д-413.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан 4 февраля 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119454, г. Москва, пр. Вернадского, д.78, диссертационный совет Д 212.131.05.

Ученый секретарь Андрианова диссертационного совета Елена Гельевна Д 212.131.05 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка баз знаний интеллектуальных систем под держки принятия решений (ИСППР), как и всех систем, основанных на знани ях, является кропотливой, трудоемкой и достаточно творческой деятельно стью. Их основу составляют экспертные знания о происходящих процессах и принимаемых решениях в предметной области (ПрО) функционирования ИСППР. Каждая ПрО характеризуется своими особенностями, законами про текания различных процессов, проблемными ситуациями и подходами к их разрешению, критериями выбора решений и оценки их качества. Такие знания носят трудно формализуемый характер, поэтому методы их приобретения, представления и организации логического вывода на них продолжают оста ваться важнейшими вопросами при разработке ИСППР. Большая часть этих вопросов решается на этапе системно-концептуального анализа задач функ ционирования ИСППР и построения модели ПрО. Однако, несмотря на разви тый инструментарий, существует очень мало средств проектирования ИСППР, оказывающих методическую поддержку на данном этапе. Чаще всего этот во прос решается на уровне общих рекомендаций и разнообразных изобразитель ных средств, что предполагает наличие у инженера по знаниям большого уме ния и высокого уровня системно-концептуального мышления, гарантирующих хорошее качество полученной базы знаний. Кроме того, как всякий творче ский процесс, системно-концептуальный анализ нелегко в достаточной степе ни алгоритмизировать, чтобы реализовать необходимую автоматизированную поддержку.

Недостаточность автоматизированной методической поддержки этапа системно-концептуального анализа можно считать значительным минусом большинства существующих средств разработки ИСППР, что является серьез ным сдерживающим фактором при создании больших приложений. В связи с этим, представляется актуальной задача разработки новых инструментально методических средств автоматизации процессов системно-концептуального анализа и построения модели предметной области.

Объектом исследования являются процессы принятия решений в за дачах управления: структура, типы и методы формирования решений.

Предмет исследования – методы и формы выявления, структуризации и представления необходимой системы знаний для реализации в системах под держки принятия решений.

Целью исследования в данной диссертационной работе является по вышение уровня технологичности процесса разработки баз знаний.

Задачи исследования 1. Обзор средств методической и программной поддержки процесса сис темно-концептуального анализа на этапах выявления, структуризации и пред ставления знаний для ИСППР в целях определения актуальных направлений их развития.

2. Разработка методики системно-концептуального анализа ПрО для за дач принятия решений, позволяющей алгоритмизировать и автоматизировать процесс приобретения экспертных знаний.

3. Разработка модели представления результатов системно-кон цептуального анализа, позволяющей получить ее программную реализацию.

4. Разработка алгоритмического и программного обеспечения средств поддержки процесса системно-концептуального анализа на основе предло женных методики и модели.

5. Разработка информационного обеспечения предложенных методики и программных средств.

6. Исследование эффективности методики и информационно программного обеспечения на конкретных задачах.

Методы исследования. В основу диссертационного исследования по ложены работы: метод ситуационного управления большими системами По спелова Д.А., Клыкова Ю.И., Болотовой Л.С. (Загадской);

метод ситуационно го анализа и проектирования моделей ПрО Болотовой Л.С. (Загадской), метод концептуального анализа и проектирования систем организационного управ ления (Никаноров С.П., Кучкаров З.А.);



теория семиотических систем (Шрей дер Ю.А.);

труды отечественных ученых по инженерии знаний и искусствен ному интеллекту – Гавриловой Т.А., Хорошевского В.Ф., Осипова Г.С., Части ковой А.П., Ларичева О.И., Попова Э.В., Стефанюка В.Л., Финна В.К., Рыби ной Г.В., Шемякина В.И., зарубежных ученых – Осуги С, Уотермана Д., Уэно Х., Шенка Р., Адели Х., Фишера К.М., Джексона П. и других;

теория приня тия решений;

методология объектно-ориентированного проектирования и про граммирования (Г. Буч, Т.Бадд).

Научная новизна исследования заключается в расширении метода си туационного анализа методикой системно-концептуального анализа ПрО за дач принятия решений и соответствующей моделью представления знаний.

Это позволяет получить программную реализацию единого понятийного про странства задачи и автоматизировать процесс приобретения знаний, а также организовать обработку полученного пространства различными программны ми модулями с целью проведения логического вывода и преобразования в синтаксические структуры различных языков программирования.

Научные результаты исследования В диссертационной работе получены следующие новые научные резуль таты:

1. Разработана методика системно-концептуального анализа ПрО, по зволяющая алгоритмизировать и автоматизировать процесс приобретения экс пертных знаний.

2. Предложена формально-логическая модель ПрО задач принятия ре шений.

3. Предложена модель представления понятийного пространства ПрО, позволяющая получить его программную реализацию.

Практические результаты исследования Реализована программная система приобретения знаний, осуществляю щая как инструментальную, так и методическую поддержку процесса систем но-концептуального анализа на этапе проектирования баз знаний и их реали зацию с помощью различных моделей представления.

Результаты, выносимые на защиту

:

1. Методика системно-концептуального анализа ПрО задач принятия решений.

2. Формальная модель описания процессов предметной области задач принятия решений.

3. Модель представления понятийного пространства задач принятия решений.

4. Программная система поддержки процессов выявления, структуриза ции и представления знаний для ИСППР.

5. Примеры практической реализации результатов исследования.

Практическая значимость результатов исследования Результаты исследования были использованы при разработке базы зна ний системы поддержки принятия решений для задач управления аппарат но-программным комплексом Федерального центра информационно образовательных ресурсов (ФЦИОР) для ФГУ ГНИИ ИТТ «Информика» в рамках проекта, реализованного в составе Федеральной целевой программы развития образования (2006 – 2010 гг.). Результаты работы также внедрены в учебный процесс на кафедрах Математического обеспечения вычислитель ных систем и Вычислительной техники МИРЭА, на кафедре Информацион ных систем Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, в Лицее информационных технологий №1533.

Теоретические аспекты разработанной методики вошли в лекционные курсы по дисциплинам «Системы искусственного интеллекта», «Представле ние знаний в информационных системах», «Теория принятия решений», «Объектно-ориентированное программирование», «Функциональное и логи ческое программирование» и использовались для написания учебно методических пособий, программные средства используются для проведения лабораторного практикума, курсового и дипломного проектирования.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: VII всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика", Зеленоград 2000;

IV научно-практическая конференция «Со временные информационные технологии в управлении и образовании. Новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы «Электронная Россия»», Москва 2003г;

V научно-практическая конференция «Современные информационные технологии в управлении и образовании», Москва 2005г.;

IX международная научно-практическая конференция «Сис темный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербург 2005г.;

V Международная научно-методическая конференция «Дистанционное обуче ние – образовательная среда ХХ1 века», Минск 2005.;

50–58-ой научно технические конференции МИРЭА, Москва, 2001-2009 и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 3 [1 3] в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК.

Вклад автора в проведенное исследование. Все теоретические резуль таты проведенного исследования получены автором самостоятельно. Реализа ция программных продуктов выполнена с участием студентов и аспирантов МИРЭА.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературных источников, содержащего 120 наиме нований, и 7 приложений. Объем основного текста составляет 167 печатных страниц, включает 3 таблицы и 100 рисунков. Объем приложений – 150 пе чатных страниц.





КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирова ны цель работы, а также задачи для ее достижения.

В первой главе рассмотрены этапы разработки ИСППР, показано осо бое место этапа концептуализации задачи, дан обзор существующих средств и методов его выполнения. Показаны особенности семиотических моделей представления знаний, дан обзор соответствующих языков моделирования. На основе проведенного анализа сделаны выводы о целесообразности дальнейше го совершенствования методов и средств концептуализации.

Во второй главе дается описание базовых методов, которые легли в ос нову проведенного исследования и разработок.

В третьей главе вводится понятие концептуальных структур действий и излагается методика их анализа с целью построения концептуальной модели ПрО.

В основу предлагаемой методики положено представление концепту альной модели ПрО (КМПрО) в виде системы понятий, связанных между со бой различными отношениями. КМПрО рассматривается в качестве первой ступени формализации знаний, связанных с задачами принятия решений в данной ПрО. Анализ и раскрытие содержания этих понятий и является тем способом приобретения и организации знаний, который позволяет получить достаточно полную и, в то же время, не избыточную модель, необходимую для дальнейшей формализации с целью создания базы знаний.

Определение различных категорий понятий происходит постепенно.

Сначала в понятийном пространстве задачи выделяются два множества: Q – множество имен объектов, явлений или иных любых сущностей, и D – множе ство имен возможных в данной предметной области действий (решений) или процессов: Q = {q1, q2, … qm}, D = {d1, d2, … dn}, D, Q U, где di – имя дейст вия, qj – имя объекта, а U – весь универсум понятийного пространства задачи.

Понятия-действия рассматриваются в качестве отправной точки в дан ной методике, т.к. именно процессы являются основными объектами для задач моделирования, а решения о предпринимаемых действиях – для задач приня тия решений. Для каждого di из D (i = 1, 2, …n) в множестве Q выделяется, в первую очередь, два подмножества: Qsubi, содержащее имена объектов, кото рые могут (умеют) выполнять действие di, и Qobi, содержащее имена объектов, на которые каким-либо образом направлено действие di. Это могут быть объ екты, непосредственно над которыми совершается данное действие, или объ екты, которые отражают его основное содержание. Элементы множества Qsubi называются субъектами действия di, их имена обозначаются через qsubik, (k = 1, 2, …m), а элементы множества Qobi называются объектами действия di, их имена обозначаются через qobik, (k = 1, 2, …m). Для указанных множеств вы полняется следующее:

Qsubi, Qsubi Qsubj, Qobi, Qobi Qobj.

Множества Qsubi и Qobi одного и того же действия di также могут пересе каться, когда какой-либо объект qik является одновременно и субъектом и объ ектом действия di, т.е. выполняет данное действие над самим собой:

Qsubi Qobi.

Имена действий и имена реализующих их субъектов связывает от ношение быть субъектом действия, которое можно представить в виде предиката Subject(имя объекта, имя действия) или более кратко Sub(qsubik, di). Он читается как «Объект qsubik является субъектом для действия di».

Аналогично, имена действий и имена их объектов действия связывает отношение быть объектом действия, которое можно представить в виде предиката Object(имя действия, имя объекта) или более кратко Ob(di, qobik). Он читается как «Действие di имеет объектом действия объект qobik».

Кортеж понятий имя действия, имя объекта действия описывает за дачу действия, т.е. основное назначение данного действия. Для входящих в него понятий имеем:

tdi = di, qobik = Ob(di, qobik).

Кортеж понятий имя субъекта действия, задача действия ставит данную задачу перед определенным субъектом, т.е. дополняет задачу действия указанием ее исполнителя. Таким образом, он описывает полную задачу дей ствия, которую можно описать соответствующей конъюнкцией:

ftdi = qsubij, ti = qsubij, di, qobik= Sub(qsubij, di)&Ob(di, qobik).

Затем для каждого di из D в множестве Q выделяется подмножество com Q i, содержащее имена объектов, которые каким-либо образом участвуют в совершении данного действия. Они называются компонентами действия di, их имена обозначаются через qcomik, где k = 0, 1, …m (множество компонентов может быть пустым). Для названных множеств имеем:

Qcomi Qcomj, Qsubi Qcomi =, Qobi Qcomi =.

Имена действий и имена их компонентов связывает отношение иметь компонентом действия, которое можно представить в виде предиката Compo nent(имя действия, имя объекта) или более кратко Com(di, qcomik). Он читается как «Действие di имеет компонентом действия объект qcomik».

Кортеж понятий задача действия, имя компонента действия расши ряет задачу действия указанием средства ее исполнения, т.е. описывает рас ширение задачи действия, что можно представить следующей конъюнкцией:

etdi = tdi, qcomil = di, qobik, qcomil = Ob(di, qobik)&Com(di, qcomil).

Когда компонентов у действия более одного, данный кортеж становится многоместным: задача действия, имя компонента действия1, имя компо нента действия2,..., имя компонента действияv (v=m-2) и описывает пол ное расширение задачи действия, что можно представить конъюнкцией:

etdi = di, qobik, qcomi1, qcomi2,..., qcomiv= Ob(di, qobik)&Com(di, qcomi1)&Com(di, qcomi2)&… &Com(di, qcomiv).

Кортеж полная задача действия, полное расширение задачи дейст вия описывает полную объектную структуру действия:

osdijk = ftdijk, etdik = qsubij, di, qobik, {qcomil}l = 1 v.

Конъюнкция, описывающая данный кортеж, имеет следующий вид:

osdi = Sub(qsubij, di)&Ob(di, qobik)&{Com(di, qcomil)}, где l = 1 v.

Однако данная формула еще не может считаться полным описанием действия, т.к. она не раскрывает его содержания: условий и результатов. Для этого рассматриваются еще два подмножества понятийного пространства за дачи: P – множество имен понятий, обозначающих различные свойства, при знаки, черты или состояния объектов из Q (для краткости, будем все это назы вать свойствами) и R – множество имен понятий, обозначающих различные отношения объектов из Q с другими объектами из этого множества. Оба они, в свою очередь, распадаются на подмножества, содержащие понятия, описы вающие каждый объект:

P1 = P(q1) = {p11, p12, …p1n}, R1 = R(q1) = {r11, r12, …r1t},............

Pm = P(qm) = {pm1, pm2, …pmh}, Rm = R(qm) = {rm1, rm2, …rmg}.

Аналогично сказанному выше, можно выделить следующие закономер ности, отношения и структурные элементы действий, связанные с этими мно жествами:

P1 P2 … Pm = P, R1 R2 … Rm = R, Pi Pj, Ri Rj, Property(имя объекта, имя свойства) (кратко Prop(qi, pij)) – отношение «Объект qi имеет свойство pij», Relation(имя объекта, имя отношения) (кратко Rel(qi, rik)) – отношение «Объект qi имеет отношение rik», имя объекта, имя свойства – fpij = qi, pij – факт-свойство, psi = qi, {pij}j=1 n – структура свойств объекта, psi = Prop(qi, pi1)&Prop(qi, pi2)& …&Prop(qi, pin) = {Prop(qi, pij)}, j=1 n, имя объекта, имя отношения – frik = qi, rik – факт-отношение, rsi = qi, {rik}k=1 t – структура отношений объекта, rsi = Rel(qi, ri1)&Rel(qi, ri2)& …&Rel(qi, rit) = {Rel(qi, rik)}, k=1 t, структура свойств, структура отношений – полная структура объекта, fsi = psi, rsi, или fsi = qi, {pij}j=1 n, {rik}k=1 t, fsi = {Prop(qi, pij)}&{Rel(qi, rik)}, j=1 n, k=1 t.

Заключительным шагом в описании объекта, а, следовательно, и дейст вия, с которым он связан, является рассмотрение еще двух множеств понятий, содержащих значения свойств и отношений объектов.

Множество VP = V(P) – множество понятий, соответствующих значени ям свойств объектов, т.е. элементов множества P. Каждое свойство имеет об ласть значений, определяемую его типом и условиями задачи. Для j-го свойст ва i-го объекта имеем множество значений:

VPij = V(pij) = {vPij1, vPij2, …vPijz}.

Множество VR = V(R) – множество понятий, соответствующих значени ям отношений объектов, т.е. элементов множества R. Однако в этом случае значением является не одно понятие, а пара имя объекта отношения значе ние отношения, т.к. один и тот же объект (он в этом случае выступает как субъект отношения) может вступать в отношения с любым количеством дру гих объектов (максимум, n – 1, где n – количество элементов в множестве Q), причем может иметь с одним и тем же объектом несколько разноименных от ношений. В общем случае, каждое отношение имеет область значений, опре деляемую его типом и условиями задачи. Таким образом, для k-го отношения i-го объекта (допустим, это отношение с объектом ql) имеем множество значе ний:

VRik = V(rik) = {ql, vRik1, ql, vRik2,…,ql, vRikw }.

Можно выделить следующие отношения и структурные элементы дей ствий, связанные с этими множествами:

Value(имя свойства, значение свойства) (кратко Val(pij, vPijl)) – отношение «Свойство pij имеет значение vPijl», Value(имя отношения, значение отношения) (Val(rik, vRikz)) – отношение «Отношение rik имеет значение vRikz», имя свойства, значение свойства – vpijl = pij, vPijl – означенное свойство, имя объекта, означенное свойство– vfpijl = qi, vpijl – означенный факт-свойство, P vfpijl = Prop(qi, pij)&Val(pij, v ijl), vpsi = qi, {pij, vPijl}j=1 n – означенная структура свойств объекта, vpsi = {Prop(qi, pij)&Val(pij, vPijl)}, j=1 n, имя отношения, значение отношения–vrikz=rik,vRikz– означенное отношение, имя объекта, означенное отношение – vfrikz = qi, vrikz – означенный факт-отношение, R vfrikz = Rel(qi, rik)&Val(rik, v ikz), vrsi = qi, {rik, vRikz}k=1 t – означенная структура отношений объекта, vrsi = {Rel(qi, rik)&Val(ri1, vRikz)}, k=1 t, означенная структура свойств, означенная структура отношений – vfsi = vpsi, vrsi – означенной структура объекта, vfsi = {Prop(qi, pij)&Val(pij, vPijl)}&{Rel(qi, rik)&Val(rik, vRikz)}, j=1 n, k=1 t.

Совокупностью означенных структур объекта, субъекта и компонентов действия можно описать по-отдельности его ситуации предусловия и посту словия. Однако чтобы отразить непосредственное содержание действия, т.е.

различие между предусловием и постусловием, необходимо ввести еще отно шение, описываемое предикатами NewValue(имя свойства, новое значение свойства) и NewValue(имя отношения, новое значение отношения), отра жающее изменение значения свойства или отношения в результате выполне ния действия. Кратко его можно обозначить как NewVal(pij, vPijN) и NewVal(rik, vRikN). Здесь vPijN и vRikN – какие-то новые значения свойства pij и отношения rik, элементы, соответственно, множества VPij (vPijN VPij) и множества VRik (vRikN VRik). Читается данный предикат как «Свойство pij имеет новое значение vPijN»

и «Отношение rik имеет новое значение vRikN». Предикат NewValue(новое зна чение свойства, имя свойства) или NewVal(vPijN, pij) читается, как «vPijN явля ется новым значением свойства pij». Предикат NewValue(новое значение от ношения, имя отношения) или NewVal(vRikN, rik) читается, как «vRikN является новым значением отношения rik».

С этим отношением связаны следующие структурные элементы:

nvpijN = pij, vPijN - изменение значения свойства, nvrikN = rik, vRikN - изменение значения отношения, nvfpijN = qi, pij, nvpijN= Prop(qi, pij)& NewVal(pij, vPijN - изменение значения факта-свойства, nvfrikN = qi, rik, nvrikN= Rel(qi, rik)& NewVal(rik, vRikN) - изменение значения факта-отношения, nvpsi = qi, {pij, v ijN}j=1 n = {Prop(qi, pij)&NewVal(pij, vPijN)}, j=1 n – P изменение структуры свойств объекта, nvrsi = qi, {rik, v ikN}k=1 t = {Rel(qi, rik)&NewVal(ri1, vRikN)}, k=1 t – R изменение структуры отношений объекта, изменение структуры свойств, изменение структуры отношений – nvfsi = nvpsi, nvrsi – изменение структуры объекта, nvfsi = {Prop(qi, pij)&NewVal(pij, vPijN)}&{Rel(qi, rik)&NewVal(ri1, vRikN)}, j=1 n, k=1 t.

Теперь мы можем разделить ситуации пред- и постусловия действия и определить совокупность всех означенных структур субъекта, объекта и ком понентов как условие совершения действия, а совокупность всех изменений структур тех же объектов – как результат совершения действия:

condh = cond(dh) = vfssubh, vfsobh, {vfscomhx} x = 1 v resh = res(dh) =nvfssubh, nvfsobh, {nvfscomhx} x = 1 v Объектная структура действия, его условие и результат описывают те перь полностью содержание действия. Все это вместе составляет концепту альную структуру действия (КСД), представляющую собой кортеж-тройку:

ksdh = ksd(dh) = osdh, condh, resh, что описывается следующей конъюнкцией:

ksdh = Sub(qsubhi, dh)&Ob(dh, qobhi)&{Com(dh, qcomhi)}& {Prop(qsubhi, pij)&Val(pij, vPijl)&NewVal(pij, vPijN)}& {Rel(qsubhi, rik)&Val(rik, vRikz)&NewVal(rik, vRikN)}& {Prop(qobhi, pij)&Val(pij, vPijl)&NewVal(pij, vPijN)}& {Rel(qobhi, rik)&Val(rik, vRikz)&NewVal(rik, vRikN)}& {{Prop(qcomhi, pij)&Val(pij, vPijl)&NewVal(pij, vPijN)}& {Rel(qcomhi, rik)&Val(rik, vRikz)&NewVal(rik, vRikN)}}, i = 1 m, j=1 n, k=1 t.

С этой точки зрения задача действия tdh = dh, qobhi представляет со бой ядро структуры действия (ЯСД), полная задача ftdi = qsubhi, di, qobhi – ось структуры действия (ОСД), а вся объектная структура osdh = qsubhi, dh, qobhi, {qcomhi} – каркас структуры действия (КрСД), «обрастающий» фактами свойствами и фактами-отношениями – элементами структуры объектов fshi = qhi, {pij}j=1 n, {rik}k=1 t, с которыми связано данное действие.

Сказанное иллюстрируется графической схемой, показанной на рис.1.

На основании анализа КСД формируется описание действий, которые необходимо выполнить для создания условий совершения данного действия.

Эти действия называются поддействиями данного действия, или его дейст виями нижнего уровня. Для них строятся свои КСД, раскрывающие их содер жание, и так далее до получения действий, которые могут считаться элемен тарными для данной задачи.

Таким образом, мы имеем декомпозицию процессов задачи, но, в отли чие от других методов ее выполнения, здесь она проводится по строгому алго ритму, согласно которому действия каждого нового уровня конкретизации «вытекают» из действий верхнего уровня, они обоснованы, а не выделены ин туитивно разработчиком модели.

В результате получается связанное пространство действий (или реше ний), которое служит хорошей основой для построения баз знаний в различ ных моделях представления (продукционной, фреймовой, сетевой, логиче ской).

Рис.1. Общий вид КСД Точно так же и множества объектов, их свойств и отношений выделяют ся строго в соответствии с содержанием действий. Это очень важно не только при разработке баз знаний, но и при программной реализации задач моделиро вания, особенно на объектно-ориентированных языках программирования.

Таким образом, в КМПрО выделяется 4 множества базовых понятий:

1. Понятия-объекты, характеризующие объекты, явления и события со ответствующей предметной области;

2. Понятия-свойства, характеризующие различные черты, признаки, особенности и свойства объектов, а также их возможные состояния;

3. Понятия-отношения, характеризующие разного рода взаимосвязи и взаимозависимости между объектами;

4. Понятия-действия, характеризующие различные процессы, проте кающие в ПрО в разные моменты времени.

Содержание понятий каждого типа раскрывается по-своему. Под со держанием понятия-объекта понимается:

совокупность его свойств и характерных признаков, важных для описания объекта с точки зрения решаемой задачи, набор различных состояний, в которых объект может находиться в процессе выполнения действий, множество отношений данного объекта с другими объектами ПрО, которые существуют постоянно или могут возникать во время исполнения моделируемых процессов, описание иерархической взаимосвязи данного понятия-объекта с другими понятиями-объектами задачи, определяющее степень общности данного понятия.

Содержание понятия-свойства раскрывается через область его значе ний, их тип и текущее значение свойства, а содержание понятия-отношения – через совокупность объектов, с которыми это отношение возможно, и значе ние его для этих объектов в текущий момент времени. Оба эти понятия могут также содержать описание зависимости своих значений от значений других свойств и отношений объектов ПрО.

Содержание понятия-действия описывается концептуальной структу рой действия и включает в себя следующее:

указание на субъекты действия, т.е. объекты, которые могут выпол нять данное действие;

указание на объекты действия, т.е. объекты, на изменение свойств и/или отношений которых направлено данное действие;

указание на компоненты действия, т.е. другие объекты ПрО, от зна чения свойств и/или отношений которых зависит совершение данного дейст вия или значения свойств и/или отношений которых изменяются в результате выполнения данного действия;

описание условий совершения действия и его результатов в виде со вокупности значений свойств и/или отношений связанных с ним объектов, т.е. ситуаций предусловия и постусловия данного действия;

описание действий, которые необходимо выполнить для создания условий совершения данного действия, т.е. поддействий, или действий ниж него уровня, данного действия.

На основе базовых формируются производные понятия, служащие для более полного описания процессов и решений данной ПрО. К таким понятиям, в первую очередь, относятся понятия-факты и понятия-ситуации.

Под содержанием понятия-факта понимается конкретное значение или некая область значений одного свойства или отношения объекта. Сово купность всех фактов, связанных с одним объектом, описывает состояние это го объекта в данный момент времени. Описание состояний всех объектов из КМПО в конкретный момент времени представляет собой описание всей си туации в ПрО в этот момент, а описание состояний какой-то части объектов отображает определенный фрагмент этой ситуации. Состояние одного объ екта тоже рассматривается как фрагмент ситуации. Набор соответствующих понятий-фактов составляет содержание понятия-ситуации.

Общее понятийное пространство задачи, следовательно, представляет собой совокупность нескольких подпространств, таких как:

пространство объектов Q – набор понятий-объектов, описанных че рез понятия-свойства и понятия-отношения;

пространство действий (решений) D – набор понятий-действий, воз можных в данной ПрО;

пространство ситуаций (ситуационное пространство) S – набор по нятий-ситуаций, описывающих состояния различных объектов ПрО в разные моменты времени;

пространство проблемных ситуаций SP S – совокупность понятий ситуаций, формирующихся в результате возникновения событий инцидентов, нарушающих нормальное течение моделируемых процессов. В задачах принятия решений являются основным объектом исследования, т.к.

требуют специального анализа и принятия решений по их устранению;

пространство алгоритмов решений A – совокупность понятий решений, описывающих последовательности действий, необходимых для устранения проблемных ситуаций в данной ПрО и превращения их в ситуа ции, соответствующие нормальному течению процессов. В содержание по нятия-решения входит набор ситуаций, к которым применимо данное ре шение, и набор составляющих его действий.

На рис. 2 показаны названные пространства и соответствия между ни ми. Для описания предлагаемой методики концептуализации особенно важно двустороннее отношение F между пространством действий и пространством ситуаций. Суть его в том, что ситуации «вызывают», активизируют действия и сами изменяются при выполнении этих действий. В том, что изменилось при переходе от ситуации-предусловия к ситуации-постусловию, и есть содержа ние действия, описываемого в КМПрО соответствующим понятием из мно жества D. Следовательно, анализируя содержание действия, мы можем полу чить и структуры связанных с ним ситуаций, а затем и объектов, состояние ко торых они описывают. Именно поэтому данная методика делает акцент на анализе структур понятий-действий, отражающих процессы и решения данной ПрО.

Методика анализа концептуальных структур действий подразумевает выполнение следующих шагов:

1. Определение действия (процесса), соответствующего постановке за дачи (в общем случае таких действий может быть несколько, тогда они анали зируются последовательно). КСД, соответствующая этому действию, является Рис.2. Структура понятийного пространства корневой схемой, т.е. самой общей (абстрактной), и считается схемой «нулево го» уровня. Построение этой схемы является очень важным моментом мето дики, так как это показывает, с чего начать, дает отправную точку для прове дения системно-концептуального анализа.

2. Анализ содержания и условий выполнения корневого действия, опре деление на основе этого его концептуальной структуры (субъекта действия, объекта действия, возможных компонентов действия), свойств соответствую щих объектов и отношений между ними.

3. Анализ условий выполнения данного действия и определение на ос нове этого возможных поддействий данного действия.

4. Последовательный анализ поддействий до получения конечных (эле ментарных) действий.

Процесс анализа заканчивается, когда не осталось непроанализирован ных условий и по каждому условию получен четкий ответ о причинах его формирования: выполнение поддействия или на основе данных, поступаю щих от пользователя.

Содержание каждого понятия представляет собой определенный фраг мент знания о предметной области. Концептуальные структуры понятий по зволяют унифицировать эти фрагменты знаний и представить их в виде, под ходящем для автоматической обработки с помощью специального программ ного обеспечения.

В главе четвертой дается описание понятийно-объектной модели как способа представления понятийного пространства задачи и системы приобре тения знаний «Помощник эксперта».

Для реализации инструментальной поддержки проведения системно концептуального анализа по описанной методике предлагается представление получаемых с ее помощью концептуальных структур в виде понятийно объектной модели (ПОМ). ПОМ – это программный модуль, реализованный в объектно-ориентированной среде программирования и содержащий пред ставление понятий ПрО в объектно-ориентированной форме.

Для каждого вида концептуальных структур определяется класс, реали зующий содержание соответствующих понятий. Основой для определения внутренней структуры экземпляров классов служат формальные структуры КСД и ее элементов, описанные в главе 3. Внутренние структуры экземпляров классов Понятие-действие и Понятие-объект приведены на рис. 3, 4. Для классов Понятие-свойство и Понятие-отношение структуры экземпляров по казаны на рис. 5, 6.

Рис. 3. Структура экземпляра Рис. 4. Структура экземпляра класса Понятие-действие класса Понятие-объект Преимущества такого представления в том, что оно дает возможность реализовать дальнейший автоматизированный анализ понятийного простран ства с целью получения синтаксических конструкций, необходимых для реа лизации задачи на языках программирования (особенно объектно ориентированных и логических) или структур, требующихся для построения баз знаний с помощью специальных инструментальных сред разработки, ис пользующих различные модели представления знаний (продукции, предикат ные формулы, фреймы, семантические сети, смешанные представления).

Сказанное значительно расширяет область применения описываемой методики, делая ее не только методикой разработки баз знаний, но и мето дикой проектирования сложного программного обеспечения.

Рис. 5. Структура экземпляра Рис. 6. Структура экземпляра класса Понятие-свойство класса Понятие-отношение Для формирования ПОМ и работы с ней разработана система приобре тения знаний (СПЗ) под названием "Помощник эксперта" ("Помощник"). Ее задачей является автоматизация методики системно-концептуального анализа поведения разрабатываемой ИСППР и максимально возможная автоматизация всех процессов, связанных с обработкой понятийного пространства. Струк турная схема системы показана на рис. 7.

Система выполняет следующие функции:

представление выявляемого в процессе приобретения экспертных знаний понятийного пространства ПрО в виде совокупности соответствую щих понятийно-объектных структур (т.е. формирование ПОМ). При этом ор ганизация работы СПЗ направлена на то, чтобы инженер по знаниям при по строении модели максимально возможно следовал названной методике;

обеспечение доступа к различным классам понятий с целью анализа ПрО;

получение и анализ пространства состояний и пространства про блемных ситуаций данной ПрО, т.е. построение дискретной ситуационной сети;

формирование базы правил ИСППР на основе анализа понятийного пространства;

графическое отображение различных фрагментов понятийного про странства в виде соответствующих семантических сетей.

Данная СПЗ призвана максимально повысить уровень взаимодействия эксперта и инженера-когнитолога. Эксперт передает свое знание в привычной ему терминологии, методика помогает инженеру по знаниям определить нуж ные направления изучения ПрО, в которой он не является специалистом, и г рамотно сформулировать вопросы. СПЗ в процессе этого взаимодействия сра зу же формализует поступающую информацию и представляет ее в форме, удобной для последующего анализа и обработки.

Система «Помощник эксперта» была разработана в среде программиро вания Visual Age на языке Smalltalk.

Рис. 7. Структурная схема системы «Помощник Эксперта»

СПЗ «Помощник эксперта» вместе с разработанной ранее на кафедре ВТ инструментальной экспертной системой «Малый решатель проблем» состави ли программный комплекс для разработки экспертных систем «Помощ ник+Решатель», который используется для проведения лабораторного практи кума, дипломного проектирования и научно-исследовательских работ.

В главе пятой описывается апробация предложенной технологии на примере реализации прикладной экспертной системы.

Рассматривается задача обработки инцидентов, возникающих в процес се администрирования корпоративных информационных сетей (КИС). Фор мирование базы знаний инцидентов осуществляется в процессе анализа собы тий-инцидентов, проводимого по описанной методике в следующей интерпре тации:

в качестве корневого понятия-действия выступает действие ВЫРАБОТАТЬ РЕКОМЕНДАЦИИ;

в качестве понятий-поддействий этого действия выступают:

o установить, какое Событие ПРОИЗОШЛО в сети, т.е.

ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ Событие, o ОПРЕДЕЛИТЬ ПРИЧИНУ События, o выработать рекомендации, как ОБРАБОТАТЬ это Событие, путем моделирования действий Субъекта управления;

в качестве субъектов действий выступают ИСППР, Администратор сети;

в качестве объектов действий выступают физические или про граммные объекты КИС, с которыми происходит данное Событие (Ком поненты события);

в качестве компонентов события фигурируют физические или про граммные объекты, входящие в состав КИС, значения свойств или отно шений которых свидетельствуют о возникновении инцидента.

На рис.8 показана КСД, соответствующая действию ВЫРАБОТАТЬ РЕКОМЕНДАЦИИ для Субъекта управления (лица, принимающего реше ния), по обработке События, произошедшего с вверенным ему объектом, с выяснением, если возможно, причин этого события и мер, позволяющих избежать в будущем подобных ситуаций. На рис.9-11 показаны КСД под действий этого действия: ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ Событие, ОПРЕДЕЛИТЬ ПРИЧИНУ События, ОБРАБОТАТЬ Событие.

Рис.8. КСД «ВЫРАБОТАТЬ РЕКОМЕНДАЦИИ»

Штриховка в изображении объектов означает, что это понятия абст рактные, т.е. общие. Объекты, участвующие в каждой конкретной ситуа ции, будут являться экземплярами этих понятий. Описание структур дей ствий с использованием абстрактных понятий позволяет рассмотреть не одну только ситуацию, а целый класс ситуаций.

Набор объектов, с которыми происходит событие, различен для раз ных событий и по значениям связанных с ними факторов ИСППР опреде ляет, что именно произошло в сети. Действие ОБРАБОТАТЬ Событие – абстрактное, т.к. в случае каждого конкретного события распадается на ряд определенных действий, связанных с обработкой именно этого события.

Рис.9. КСД «ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ Событие»

Рис.10. КСД «ОПРЕДЕЛИТЬ ПРИЧИНУ События»

Эти действия являются его поддействиями и включают в свою структуру еще один набор объектов из состава КИС, являющихся компо нентами данных действий. Это означает, что значения свойств и отноше ний этих объектов будут изменяться в процессе обработки события, а часть их войдет в описание результирующей ситуации, соответствующей нормальной работе сети. Возникновение ошибки в работе сети рассматри вается как одно из возможных событий. В этом случае действие ОБРАБО ТАТЬ Событие превращается также в абстрактное действие ИСПРАВИТЬ Ошибку. Ошибка это тоже абстрактное понятие, но более низкого уровня абстракции, чем Событие.

Рис.11. КСД «ОБРАБОТАТЬ Событие»

Данная система обработки инцидентов была реализована в рамках проекта по разработке базы знаний системы поддержки принятия решений для задач управления аппаратно-программным комплексом ФЦИОР.

На основе предложенной методики для данной задачи были реализова ны предметно-ориентированный интерфейс для работы с экспертом и подсис тема визуализации пространств поддействий и инцидентов, а также была соз дана онтология процессов обработки инцидентов в КИС.

В главе шестой описаны программные компоненты, реализующие пре образования ПОМ в объектно-ориентированное представление, в представле ние на языке исчисления высказываний и в структуры языка AgentSpeak для разработки многоагентных систем.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы рабо ты, указаны направления ее дальнейшего развития.

В приложениях приводятся КСД, фрагмент базы знаний и описание полученной онтологии для задачи разрешения инцидентов в КИС, примеры КСД для других ПрО, а также алгоритмы и примеры функционирования про граммных модулей обработки и преобразования структур ПОМ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Смольянинова В.А. Анализ концептуальных структур действий как основа разработки баз знаний, Труды ИСА РАН, Динамика неодно родных систем / Под редакцией Ю.С. Попкова. Т. 39 (1). –М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2008. – 253 с., с.221-225.

2. Болотова Л.С., Смольянинова В.А., Смирнов С.С. Концептуаль ное проектирование модели предметной области при помощи программ ных систем разработки баз знаний для систем поддержки принятия ре шений, «Радиотехника», Наукоемкие технологии, №8, 2009, т.10, стр. 28 36.

3. Смольянинова В.А. Понятийно-объектная модель как способ представления знаний в программных системах поддержки концепту ального проектирования, «Радиотехника», Наукоемкие технологии, №9, 2009, т.10, стр. 46-50.

4. Смольянинова В.А. «Инструментальная и методическая поддержка процесса построения концептуальной модели предметной области», в сборни ке трудов научно практической конференции «Современные информационные технологии в управлении и образовании – новые возможности и перспективы использования», Москва 2001г, изд. ФГИП НИИ «Восход», МИРЭА, С.104 – 106.

5. Смирнов С.С., Болотова Л.С., Смольянинова В.А. «Организация ло гического вывода на понятийно-объектной модели предметной области в сис темах поддержки принятия решений», в межвузовском сборнике научных тру дов «Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обес печения», изд. МИРЭА, Москва 2003., стр. 123 – 133.

6. Смольянинова В.А., Смирнов С.С., Милов В.А. «Инструментальный комплекс «Помощник + Решатель» как средство разработки систем поддержки принятия решений в управлении» в сборнике трудов 9-ой международной на учно-практической конференции «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербург 2005г., изд. Политехнического университета, стр. 333-335.

7. Болотова Л.С., Смольянинова В.А., Смирнов С.С. Теоретические ос новы концептуального проектирования модели предметной области в КИС, стр.125-132 в Межвузовском сборнике научных трудов «Теоретические во просы вычислительной техники и программного обеспечения», Москва, МИРЭА, 2006.

8. Мороз Ю.В., Смольянинова В.А., Смирнов С.С. Автоматизация под держки принятия решений в государственных организациях, - стр.132-137 в Межвузовском сборнике научных трудов «Теоретические вопросы вычисли тельной техники и программного обеспечения», Москва, МИРЭА, 2006.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.