автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Синтез информационных технологий обработки когнитивной информации в системах поддержки принятия решений

/ 4 ! £ ..... г < < и

[ v-' / . ? •)

-У 1} й

Воронежская государственная технологическая академия

На правах рукописи

Ошивалов Андрей Владиславович

СИНТЕЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ КОГНИТИВНОЙ ИНФОРМАЦИИ В СИСТЕМАХ ПОДДЕРЖКИ

ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Специальность: 05.13.14 - системы обработки информации и

управления

ДИССЕРТАЦИЯ

На соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Матвеев М.Г.

Воронеж - 1999

Список сокращений

БД - база данных

БЗ - база знаний

ЗПР - задача принятия решений

ИТ - информационные технологии

ЛПР - лицо, принимающее решение

пм - программный модуль

по - предметная область

СППР - система поддержки принятия решений

ТППР - технология поддержки принятия решений

ФП - фрейм-пример

ФПТ - фрейм-прототип

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................5

1. ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА В СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ С УЧАСТИЕМ ЧЕЛОВЕКА...................................................12

1.1 Выбор в системах поддержки принятия решений.......................12

1.1.1 Структурная модель подсистемы поддержки принятия решений в системах управления с участием человека ....................12

1.1.2 Классификация задач выбора.............................................14

1.2 Системы качественного выбора...........................................20

1.2.1 Классификация когнитивных систем...................................20

1.2.2 Модели представления знаний и решателя............................24

1.2.3 Задача выбора (разработки) моделей баз знаний и решателя в системах поддержки принятия решений......................................31

1.3 Системное моделирование как основа этапа концептуализации построения когнитивных систем................................................36

1.3.1 Системное моделирование................................................36

1.3.2 Современные теоретические основы выбора..........................39

1.4 Выводы и постановка задачи.............................................42

2. ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМНОЙ МОДЕЛИ УНИФИЦИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.................45

2.1 Системный анализ задачи принятия решений..........................45

2.2 Построение полного набора отношений качественного выбора на основе их классификации.......................................................48

2.3 Построение унифицированной модели функционирования компонентов задачи принятия решений.......................................53

2.4 Выводы..........................................................................69

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ УНИФИЦИРОВАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.................70

3.1 Разработка структуры фреймовой модели и решателя для

реализации СППР.................................................................70

3.1.1 Типы слотов и организация фреймов-прототипов на их основе................................................................................75

3.1.2 Организация решателя.....................................................78

3.2 Реализация структуры базы знаний и данных и алгоритма решателя инструментальной системы поддержки принятия решений..............84

3.3 Выводы.........................................................................88

4. АПРОБАЦИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ........................................................90

4.1 Структура инструментальной системы поддержки принятия решений и методика разработки базы знаний в различных предметных областях............................................................90

4.2 Апробация инструментальной системы поддержки принятия решений в сфере социального управления................................................. 94

4.3 Апробация инструментальной системы поддержки принятия решений в системах управления перерабатывающим производством......................................................................99

4.4 Апробация инструментальной системы поддержки принятия решений в области управления научно-исследовательской деятельностью .................................................................... 104

4.5 Выводы.........................................................................107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................109

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................111

ПРИЛОЖЕНИЕ 1................................................................122

ПРИЛОЖЕНИЕ 2................................................................128

ПРИЛОЖЕНИЕ 3................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Основная цель современных исследований в области создания систем обработки информации и управления - повышение их эффективности. Ее достижение связано с совершенствованием информационного обеспечения, увеличением спектра решаемых задач и обеспечением универсальности синтеза названных систем. Отличительной способностью систем управления сложными объектами является совместное функционирование многих контуров управления, в том числе и с участием человека. В таких контурах решение о виде и характеристиках управляющих воздействий принимается в два этапа, сначала в контуре управления осуществляется предварительный выбор, а затем человек принимает окончательное решение. Системы управления, включающие такие контуры, принято называть системами поддержки принятия решений. Очевидно, что в таких контурах обрабатывается как количественная информация, так и информация измеряемая в качественных шкалах, оперирование которыми характерно для человека. Как правило, системы управления ориентированы на обработку количественной информации, оставляя выбор на качественных шкалах человеку. В то же время, в практике управления все чаще начинают применяться когнитивные системы, обеспечивающие обработку качественной информации. Одним из перспективных направлений развития систем управления, в частности систем поддержки принятия решений, является построение информационных технологий комбинированной обработки количественной и качественной информации. Теоретические основы для построения таких информационных технологий заложены в исследованиях ученых Поспелова Г.С., Полищук Л.И., Ларина В.Я. В работах этих авторов предлагается множество исходных альтернатив сужать с помощью выбора по качественным отношениям, а затем на суженом множестве (ядре) формулировать задачу количественного вы-

бора. Использование такого подхода обеспечивает человека более широким спектром информации, что повышает эффективность системы управления. Информационные технологии обработки количественной информации развиты достаточно хорошо, достигнуты определенные успехи в разработке информационных технологий обработки когнитивной (качественной) информации, однако информационных технологий, обеспечивающих комбинированную обработку количественной и качественной информации практически нет. Таким образом, задача разработки информационных технологий, обеспечивающих комбинированную обработку информации и дальнейшее использование таких информационных технологий в системах управления позволяет повысить их эффективность, что и обеспечивает актуальность темы исследований. Подобные информационные технологии относятся к классу технологий обработки знаний (когнитивных систем). Поэтому их разработка должна отвечать известным этапам разработки когнитивных систем -идентификации, концептуализации, формализации, реализации, опытной эксплуатации.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с программой работ Министерства общего и профессионального образования РФ "Исследование и разработка моделей оптимизации и принятия решений"; программой работ Головного совета ГКВО РФ по автоматике и системам управления по теме "Моделирование информационных технологий и разработка инструментальных средств управления процессами и производствами"; научно-технической региональной программой "Черноземье"; научно-технической региональной программой "ВУЗ-Черноземье".

Цель диссертационной работы состоит в разработке моделей представления когнитивной информации в виде теоретико-множественного описания процессов выбора, синтезе логических пра-

вил вывода и их комбинаций с методами количественного выбора на основе теоретико-множественных моделей, а также разработке математического и информационного обеспечений поддержки принятия решений в системах управления.

Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

- анализ известных подходов к решению задачи поддержки принятия решений, в условиях обработки информации количественного и качественного характера;

- построение теоретико-множественной модели инвариантного описания информационной технологии поддержки принятия решений, включающей полный набор отношений и правил выбора на различных измерительных шкалах;

- построение унифицированной модели функционирования компонентов задачи принятия решений и алгоритма их взаимодействия;

- разработка структуры фреймовой модели представления знаний инструментальной системы поддержки принятия решений и ее реализация в виде базы данных и знаний;

- синтез логических правил вывода, обеспечивающих реализацию инвариантной модели функционирования задачи принятия решений на качественных шкалах в комбинации с методами количественного выбора;

- апробация предложенного информационного и математического обеспечений в системах управления различного назначения.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, теории выбора и принятия решения, теории множеств, алгебры логики, исчисления предикатов.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- концептуальная модель информационной технологии процесса

принятия решений в виде теоретико-множественного описания объектов и механизмов бинарного выбора, отличающаяся механизмом комбинированного выбора по полному набору количественных и качественных отношений;

- общий системный алгоритм функционирования компонентов задачи поддержки принятия решений, основанный на их унифицированном представлении в виде функции выбора;

- модель представления знаний, отличающаяся сочетанием сетевого фреймового и логического представления;

- алгоритм решателя системы поддержки принятия решений, отличающийся введением специальных типов слотов, обеспечивающих реализацию механизмов модели информационной технологии поддержки принятия решений, логический вывод и генерацию фактов и данных из правил.

Практическая значимость Концептуальная модель и общий системный алгоритм информационной технологии процесса принятия решений могут рассматриваться как методика разработки инструментальных систем поддержки принятия решений в системах управления с участием человека. Полученные в работе модели, логические правила, алгоритм решателя и предложенные специальные типы слотов обеспечивают построение структуры базы знаний и данных, интерфейса ЭВМ-пользователь, решателя и исполнительной системы, позволяющих осуществлять наполнение базы знаний и данных информацией из различных предметных областей, что дает возможность рассматривать разработанную систему как инструментальное средство создания подсистем поддержки принятия решений в контуре управления для предметных областей различного назначения. Предложенные в работе математическое и информационное обеспечения информационной технологии поддержки принятия решений в системах управления, основанные на

комбинации выбора по различным измерительным шкалам, обеспечивают расширение информационной базы для принятия решений за счет обработки информации качественного и количественного характера. Кроме того, унифицированное представление механизмов функционирования компонентов информационной технологии поддержки принятия решений, структура базы знаний и алгоритм решателя позволяют эффективно реализовывать инструментальные системы поддержки принятия решений в контуре управления предметных областей различного назначения.

Использование результатов работы позволит обеспечить повышение эффективности управления, качество и скорость принятия решений при уменьшении влияния человеческого фактора.

Реализация результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы обеспечили разработку инструментальной системы поддержки принятия решений в виде пакета прикладных программ которые внедрены в составе соответствующих подсистем в Воронежском областном центре занятости населения в виде подсистемы экспертного анализа и принятия решений в условиях конфликта критериев, научно-исследовательском секторе Воронежской государственной технологической академии в виде I очереди АСУ НИР (подсистемы «Темплан», «Форм») и АООТ «Комбинат мясной Калачеевский» в виде подсистемы типовой системы информационного моделирования процессов организационного управления.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и осуждались на конференциях и симпозиумах «Российский молодежный симпозиум (Воронеж: ВГТА, 1996), «XXXV отчетная научная конференция (Воронеж, 1997), «XXXVI отчетная научная конференция (Воронеж, 1998), Республиканская электронная научная конференция «Современные проблемы информатизации», Меж-

дународная конференция «Математические методы в химии и химической технологии" (Воронеж 1997), а также на научных конференциях профессорско-преподавательского состава и научных работников Воронежской государственной технологической академии, Воронежского государственного университета.

Публикации. Результаты исследований нашли свое отражение в 10 опубликованных в печати научных работах, в том числе 1 без соавторов.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 110 страницах, списка литературы из 100 наименований, и приложений на 20 страницах, содержит 10 рисунков и 12 таблиц.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дается краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе проведен анализ информационных технологий поддержки принятия решений в составе систем управления различными предметными областями, рассмотрены различные подходы к реализации проблемы принятия решений и обоснована целесообразность использования комбинированного подхода в условиях выбора на количественных и качественных шкалах, проведен анализ моделей представления знаний, на основе которого сделан вывод о необходимости использования в системах поддержки принятия решений смешанных моделей, показана перспективность использования когнитивных систем при разработке информационного обеспечения поддержки принятия решений.

Во второй главе рассматриваются вопросы построения теоретико-множественной модели компонентов задачи поддержки принятия

решений - определения цели, синтеза альтернатив, анализа альтернатив, выбора в виде соответствующей информационной технологии, обеспечивающей учет этапов разработки когнитивных систем, разработан общий системный алгоритм функционирования информационной технологии поддержки принятия решений, основанный на унифицированном формальном представлении компонентов задачи поддержки принятия решений в виде соответствующих функций выбора.

В третьей главе рассматривается разработка базы знаний представленной структурой фреймов, включающей набор управляющих и функциональных слотов специального назначения, обеспечивающих в соответствии с этапами информационной технологии поддержки принятия решений управление алгоритмом решателя, а также комбинацию правил, содержащихся в базе знаний и данных и фактов, находящихся в базе данных, разработан общий алгоритм решателя на основе предложенных слотов, обеспечивающий не только логический вывод, базирующийся на логике исчисления предикатов, но и создание новых фактов и данных из правил базы знаний.

Четвертая глава посвящена основным практическим результатам, полученным в ходе исследований, показана методика разработки базы знаний в разработанной инструментальной системе поддержки принятия решений на примере предметных областей различного назначения, представлена общая структура инструментальной системы и назначение отдельных функциональных блоков.

В заключении приведены основные результаты работы.

Приложения содержат листинг программы инструментальной системы поддержки принятия решений, примеры содержания базы знаний в виде соответствующих фреймов-прототипов для различных предметных областей, документы, подтверждающие практическое внедрение результатов диссертационной работы.

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ВЫБОРА В СИСТЕМАХ

УПРАВЛЕНИЯ С УЧАСТИЕМ ЧЕЛОВЕКА

1.1 Выбор в системах поддержки принятия решений

1.1 Л Структурная модель подсистемы поддержки принятия решений в системах управления с участием человека

Задачей систем управления сложным объектом с участием человека как одной из информационных технологий управления является выбор управляющих воздействий из некоторого множества допустимых альтернатив, которые могут быть описаны на различных измерительных шкалах. Подсистема (система) поддержки приняти�