автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Алгоритмическое обеспечение автоматизации научной работы студентов на основе тезаурусной системы знаний

40

На правах рукописи

Матвеев Алексей Вадимович

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ НА ОСНОВЕ ТЕЗАУРУСНОЙ СИСТЕМЫ ЗНАНИЙ

Специальность 05 13 06 - Автоматизация и управление

технологическими процессами и производствами (образование)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ООЗОЬ) 1Ь>

Москва - 2007

003061612

Работа выполнена в Институте информатизации образования Российской академии образования в лаборатории проблем информатизации профессионального образования

Научный руководитель доктор педагогических наук, кандидат

технических наук, профессор Козлов Олег Александрович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Цимбал Владимир Анатольевич кандидат технических наук, доцент Потапов Владимир Евгеньевич

Ведущая организация Астраханский государственный

университет

Защита состоится «14» сентября 2007 г в 14 ч на заседании диссертационного совета К 008 004 01 в Институте информатизации образования Российской академии образования по адресу 119121, г Москва, ул Погодинская, д 8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института информатизации образования Российской академии образования и на сайте http //www liorao ru

Автореферат разослан «13» августа 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В С ЛЫСОГОРСКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

В условиях постиндустриального общества с усилением процессов глобализации и интеграции возрастают требования к качеству высшего профессионального образования Новая парадигма образования «образование через всю жизнь» выражает социальный заказ общества на мобильный, быстро адаптирующийся к перманентным изменениям на рынке труда человеческий капитал, способный осваивать и создавать новые высокие технологии

Последнее невозможно без опоры высшего профессионального образования на инновационные, наукоемкие образовательные технологии Сегодня невозможно получение требуемого от вуза конечного результата — профессиональной компетентности выпускников — без раннего привлечения студентов к исследовательской деятельности

В связи с переходом к многоуровневому высшему образованию (бакалавр — специалист - магистр) масштабы научных исследований в вузе возрастают В условиях интенсивной информатизации всех сфер общественной деятельности требуются новые подходы к технологиям научных исследований

Разработка современных автоматизированных систем научных исследований становится одним из приоритетных направлений в обслуживании научной деятельности вообще и, особенно, в обеспечение качества научных исследований в вузе Общие подходы к построению и функционированию автоматизированных систем рассмотрены в работах Денисова А А , Кукушкина А А , Мартина Д, Мясникова В А , Титоренко Г А, Яку-байтис Э А и др Проблемы разработки автоматизированных систем в вузе освещены в работах Баданова А Г, Берегового В И, Богдановой С В , Богомолова А В , Ваграменко Я А, Данилюка С Г, Каракозова С Д, Лысогорского В С , Павлова А А, Романенко Ю А, Царькова А Н и др

Вьивление новых эффектов становится возможным благодаря повышенным требованиям к временным, точностным характеристикам систем, способности их функционирования в реальном масштабе времени, многоканальности и т п , что достигается как за счет использования современных аппаратных и программных средств автоматизации, так и за счет их грамотной системной интеграции и применения

Получение необходимых результатов исследований требует функционирования автоматизированных систем научных исследований на пре-

деле своих возможностей Для достижения этих целей разработчикам систем необходимо принимать целый комплекс решений высокого качества, что становится возможным только при наличии у них широчайшего круга знаний, практического опыта и умения систематизировать и структурировать возникающие проблемы, на каких бы уровнях это не происходило Сочетание этих качеств в творческом многопрофильном коллективе (предметники, электроники, программисты, механики и т д) зачастую достаточно проблематично и в конечном итоге приводит к возникновению проблемной ситуации Одно из возможных решений выхода из нее - создание системы интеллектуально-информационной поддержки принятия решений при разработке автоматизированных систем, которая включает в себя развитие методологических основ организации и планирования научных исследований, разработку методик анализа объектов автоматизации, развитие методов анализа и синтеза структур автоматизированных систем, обеспечивающих различные режимы их функционирования, разработку формализованных процедур выполнения работ

На основе вышесказанного можно сформулировать противоречие, которое породило научную задачу исследования с одной стороны, гипотетически возможно и реально необходимо создание информационных средств поддержки принятия решений при разработке автоматизированных систем научных исследований в условиях вуза, с другой стороны, существующие средства автоматизации разработки автоматизированных систем научных исследований, не обладая свойствами интеллектуальности, не позволяют создавать необходимые системы силами многопрофильного коллектива разработчиков - сотрудников и студентов вуза

Таким образом, можно сделать вывод об актуальности темы диссертационного исследования

Объект исследования — процесс автоматизации научной работы студентов по проведению экспериментов в лабораторных условиях в вузе

Предмет исследования - тезаурусная система знаний как интеллектуальное средство автоматизации разработки автоматизированных систем научных исследований для вуза и процесс формирования на ее основе систем с повышенными требованиями к временным и точностным характеристикам

Цель исследования - разработка алгоритмического обеспечения автоматизации научной работы студентов тезаурусной системы знаний, системного интеллектуального подсказчика в ее составе, и, на их основе, ав-

томатизированных систем научных исследований для различных вузов с повышенными требованиями к временным и точностным характеристикам

Гипотеза исследования

Применение интеллектуальных средств поддержки принятия решений при разработке автоматизированных систем научных исследований в условиях вуза в виде тезаурусной системы знаний позволит более эффективно создавать необходимые автоматизированные системы научных исследований силами многопрофильного коллектива разработчиков - сотрудников и студентов вуза, приведет к достижению лучшей функциональности, надежности систем, снижению их сложности, стоимости

Задачи исследования

1 На основе анализа научно-методических информационных источников выявить аналоги и прототип средств автоматизации разработки автоматизированных систем научных исследований, на концептуальном уровне определить специфику их применения в условиях вуза

2 Сформировать элементы тезаурусной системы знаний, в частности, создать тезаурус предметной области и осуществить его наполнение, формализовать знания предметной области с помощью моделей представления знаний

3 Построить пространство решений, разработать метод поиска в нем и, в конечном итоге, создать систему логического вывода

4 Разработать демонстрационный вариант экспертной системы (системный интеллектуальный подсказчик), позволяющий решать ряд типовых задач при создании автоматизированных систем научных исследований

5 В целях экспериментальной проверки эффективности применения интеллектуальных средств разработать автоматизированные системы научных исследований в области медицины и высокотемпературной электрохимии с помощью предложенной тезаурусной системы знаний

Методологические основы и методы исследования

В качестве основы выполнения поставленной задачи нами выбраны методы системотехники и системологии, инструментарий и методология системной интеграции, активно разрабатываемые в последнее время и приобретающие вид самостоятельной научной дисциплины, современных информационных технологий, теории принятия решений и построения

экспертных систем, метод экспертных оценок, экспериментальная проверка выдвинутых положений с использованием оригинальных программных средств, разработанных автором

Научная новизна и теоретическая значимость исследования

1 Разработана оригинальная иерархическая структурно-функциональная модель процесса функционирования автоматизированных систем научных исследований, которая, в отличие от известных моделей функционирования автоматизированных систем, позволяет не только применять данную модель в учебном процессе, а также на ранних стадиях разработки систем, но и определить отношения между элементами тезауруса, включая отношения структуризации, семантические и причинно-следственные отношения

2 Разработана оригинальная методика формирования весовых коэффициентов потенциально эффективных продукционных правил блока логического вывода, которая позволяет выявлять вероятность успешности решения задачи формирования автоматизированной системы научных исследований с заданными характеристиками в результате срабатывания тех или иных продукционных правил с учетом сформированных частичных решений

3 Создан демонстрационный вариант системного интеллектуального подсказчика в области формирования автоматизированных систем научных исследований для вуза, позволяющий использовать разработанные интеллектуальные средства тезаурусной системы знаний для решения ряда типовых задач, и, на его основе, разработан ряд принципиально новых автоматизированных систем научных исследований для проведения экспериментов в области медицины и высокотемпературной электрохимии, в которых реализован новый технический результат, защищенный патентом на полезную модель

Практическая значимость исследования

1 Предложена технология разработки автоматизированных систем научных исследований с помощью тезаурусной системы знаний, позволяющая обеспечить научные школы вуза современным инструментарием с повышенными точностными и временными характеристиками

2 Предложенная технология используется в реальном учебном процессе, обеспечивает расширение спектра решаемых студентами задач, повышает креативность, способствует развитию творческого мышления и

способности использования нестандартных подходов при решении сложных задач

3 На основе предложенной технологии разработана серия автоматизированных систем научных исследований с повышенными характеристиками производительность-стоимость, прошедших апробацию и доведенных до уровня внедрения для экспериментальных исследований в области физиотерапии и высокотемпературной электрохимии

Этапы исследования

В 2002 - 2003 гг проводились сбор и анализ информации по средствам автоматизации разработки автоматизированных систем научных исследований, предназначенных для использования в высшем профессиональном образовании В 2003 году был разработан тезаурус формирования автоматизированных систем научных исследований, в 2003-2005 гг производилось его наполнение формализованными знаниями В 2005 году был создан демонстрационный вариант системного интеллектуального подсказчика, позволяющего использовать разработанные интеллектуальные средства тезаурусной системы знаний С 2002 по 2006 гг был разработан ряд автоматизированных систем научных исследований для проведения экспериментов в области медицины и высокотемпературной электрохимии

Апробация результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международном научно-практическом семинаре «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Нижний Новгород, 2001 г), XXXV региональной молодежной школе-конференции «Проблемы теоретической и прикладной математики» (Екатеринбург, 2004 г), международной конференции IASTED "Автоматизация, контроль и информационные технологии" (Новосибирск, 2002 г), IV международной конференции «Моделирование и управление в сложных системах» (Самара, 2002 г), V международной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и биологии» (Владимир, 2002 г), X международной конференции IEEE «Цифровая обработка сигналов» (Пайн Ма-унтэйн, штат Джорджия, США, 2002 г)

Внедрение результатов исследования

Результаты работы внедрены в следующие организации Уральская государственная медицинская академия, научно-практический реабилитационный центр «БОНУМ», Институт физики металлов УрО РАН

Основные положения, выносимые на защиту:

- иерархическая структурно-функциональная модель процесса функционирования автоматизированных систем научных исследований в условиях вуза,

- методика расчета весовых коэффициентов потенциально эффективных продукционных правил блока логического вывода,

- демонстрационный вариант системного интеллектуального подсказчика в области формирования автоматизированных систем научных исследований, и созданные на его основе варианты автоматизированной системы кулонометрического контроля, а также ряд аппаратов для научных исследований в области медицины

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений Диссертация содержит 185 страниц машинописного текста, из них 127 страниц — основной текст, 30 рисунков, 4 таблицы, 3 приложения Библиографический список содержит 103 наименования

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение. Обоснована актуальность темы диссертации, определены объект, предмет, цель исследований Сформулирована научная проблема, основные направления и методология исследований Кратко излагается содержание работы по главам

Глава 1. Проблематика создания средств автоматизации разработки автоматизированных систем научных исследований (для функционирования в условиях вуза).

Анализ отечественной и зарубежной литературы по проблематике автоматизации научных исследований показал, что существующие автоматизированные системы научных исследований (АСНИ) используются, в

основном, в крупных научных центрах Вузовская отечественная наука с такими системами практически не работает

Имеющиеся АСНИ, не обладая свойствами многофункциональности и универсальности, мало пригодны для широкого использования в разнопрофильных вузах

В связи с этим особое внимание в представленном обзоре уделено выявлению аналогов необходимых средств автоматизации разработки АСНИ, предложен компилятивный прототип (рис 1), содержащий следующие основные элементы, распределенные на полях инструментариев, технологий, архитектур, методологий создания АСНИ

1 Средства разработки алгоритмов функционирования АСНИ

2 Средства визуализации процессов, протекающих на объекте исследования

3 Средства анализа производительности АСНИ

4 Специализированные программные протоколы, связывающие отдельные блоки АСНИ

5 Базы данных аппаратных и программных средств построения АСНИ

6 Инструкции по выбору аппаратных и программных средств для разработки АСНИ

Рис 1 Структура компилятивного прототипа средств автоматизации разработки АСНИ

Для устранения недостатков прототипа, таких как отсутствие экспертных знаний, маршрутизатора, знаний на уровне АСНИ в целом, обоснована необходимость применения средств искусственного интеллекта и доказана целесообразность данного подхода Показано, что при разработке АСНИ наиболее удобно и эффективно использовать тезаурусные системы знаний, одними из составных частей которых являются экспертные системы

Приведены этапы формирования современных экспертных систем, средства, способы реализации, их классификация Указан жизненный цикл тезаурусной системы знаний, включающий этапы не только ее создания, но также функционирования, поддержки функционирования и др, на основании чего были сформулированы цель и задачи диссертационного исследования

Проведенный в данном разделе теоретический анализ проблемы исследования позволил сформулировать гипотезу диссертационной работы, приведенную выше

Глава 2. Формирование элементов тезауруса разработки АСНИ.

Предложена модель пятиблочной структуры тезауруса формирования АСНИ (рис 2) Сформированы отдельные элементы тезауруса, определяющие специфику АСНИ, а также наиболее важные моменты процесса их создания и функционирования

Рис 2 Модель пятиблочной структуры тезауруса формирования АСНИ

Построена иерархическая структура тезауруса, определяющая множество основных понятий предметной области и отношения структуризации на этом множестве

С помощью методологии структурного анализа и проектирования 8АОТ, применяющейся, в основном, для моделирования бизнес-процессов, была разработана оригинальная структурно-функциональная модель процесса функционирования АСНИ с достаточной степенью детализации, что позволило выявить специфику АСНИ, ее структуру, состав подсистем на верхних уровнях модели, а также указать тонкие моменты на декомпозируемых уровнях

Верхний уровень модели представлен на рис 3 Данная модель, в отличие от известных моделей функционирования автоматизированных систем, позволяет не только применять ее в учебном процессе, а также на ранних стадиях разработки систем, но и определить отношения между элементами тезауруса, включая отношения структуризации, семантические и причинно-следственные отношения, а также показать успешность применения методологии БАОТ для моделирования процессов функционирования сложных технических систем

AUTHOR IMM

PROJECT myKtu>K>wipoaat«ie«:HV!

MOTES 123456789 Ю

DATE 26 01 02 REV 06 03B2

RECOMBEHDED

PUBLICATION

СОНТЕХТ

ТОР

Группа Б

OncuiKM объекта «следовании и режимозадзющего

оборудования

Цель

Построить модель процесса функционирования АСНИ для вьявления ее структуры, влияющих фа (поров, установления отношений между ее элемента ми.

Точностные Временные

характерном № характеристики

Типовые и оригинальные методики проведения эксперимента

Сформировать блок Даннш. необходимый для формулирования научных выводов

Вычислительная среда

Данные схемы графики

(штищр

Тонка зрения.

и интегратор - программист

Исполнительные устройства

Группа А

А-0

Санкционирование АСНИ

Рис 3 Верхний уровень модели функционирования АСНИ

Структурно-функциональная модель АСНИ имеет также важное практическое значение, и может быть использована не только в качестве базы для создания систем искусственного интеллекта в данной области, но и автономно, на ранних стадиях разработки АСНИ для выявления потоков данных в системе, их структурирования, решения проблем неучтенности каких-либо факторов

С помощью 8АБТ-формализма была сформирована также общая структурная схема АСНИ, на которой наглядно изображено применение различных видов параллелизма и конвейеризации в каждой из подсистем АСНИ

Было установлено, что ключевой подсистемой АСНИ, определяющей ее специфику и являющейся отправной точкой в процессе ее создания, является система управления входами Для этой системы было определено общее пространство поиска решений, которое было разделено на ряд независимых подпространств Доказано, что одним из наиболее эффективных методов поиска в этом пространстве является метод поиска в фиксированном множестве подпространств

Определена размерность задачи формирования системы управления входами 6*108 С помощью методологии системной интеграции и метода экспертных оценок определена рациональность выбора (РВ) решений в зависимости от размерности задачи РВ = Б'/Б,

где 8' - обоснованные решения по выбору конфигурации системы управления входами, 8 - все решения

Очевидно, что рациональный выбор конфигурации как системы управления входами, так и АСНИ в целом, при такой зависимости практически невозможен и переходит в плоскость заимствования решений, что лишний раз доказывает обоснованность формирования тезаурусной системы знаний

С помощью матрицы связи между подпространствами была определена степень влияния одних подпространств на другие, и, исходя из этого, построен оптимальный путь поиска решений в подпространствах, позволяющий эффективно формировать интеллектуальную систему логического вывода выбор основных характеристик устройств ввода-вывода, определение управляющих и вычислительных сред, выбор операционной системы, определение интерфейсов транспортировки данных, выбор способов

обмена данными и определение дополнительных элементов устройств ввода-вывода

Глава 3. Разработка элементов системного интеллектуального подсказчика.

На концептуальном уровне определены проблемы создания интеллектуальных средств поддержки разработки АСНИ, а также специфика их применения в условиях вуза подсказывающие, направляющие и объясняющие инструменты, имитирующие последовательность действий специалиста по созданию АСНИ Определена структура входной и выходной информации

Создан демонстрационный вариант системного интеллектуального подсказчика в области формирования АСНИ Для достижения этой цели была сформирована система продукционных правил, содержащих причинную, следственную части, номер подпространства, в котором они могут быть применены, а также весовые функции в зависимости от выбранного критерия на основе вероятности дальнейшей успешной реализации АСНИ или оценочной стоимости (таблица 1)

Система продукционных правил реализует заложенную концепцию сводит к минимуму автоматический логический вывод, предоставляя пользователю право выбора дальнейших вариантов решений из нескольких потенциально возможных Тем не менее, система позволяет упорядочить предложенные варианты дальнейших решений в соответствии со строго рассчитанной вероятностью их дальнейшей реализации

Для этих целей была разработана оригинальная методика расчета весовых коэффициентов потенциально эффективных продукционных правил Она заключается в следующем

На этапе наполнения базы знаний методом экспертных оценок формируется массив вероятностей дальнейшей успешной реализации АСНИ при срабатывании продукционного правила с учетом заданных условий при некоторых значениях зависимых числовых параметров

Далее происходит аппроксимация массива вероятностей функциями Экспериментально было установлено, что хорошие результаты дает аппроксимация функциями вида

а

а +-и

' х + л

а

3

где аь а2, а3 ~ коэффициенты

Таблица 1

Примеры продукционных правил демонстрационного варианта системного интеллектуального подсказчика

№ уровня Условие Следствия Вероятность реализации Коэф. стоимости

2 Система жесткого РВ, Г<310-5 Устройство управления находится на УВВ 90 400

2 Система жесткого РВ, г>з 10"5 Устройство управления -ЦП 94- f5 106 í-13 300

2 Система мягкого РВ, t < 10"5 Устройство управления находится на УВВ 90 400

2 Система мягкого РВ, 10"5 Устройство управления -ЦП 98- VIO6 f+1 300

2 Система не является системой РВ, Х<2 10"6 Устройство управления находится на УВВ 90 400

2 Система не является системой РВ, \>1 106 Устройство управления -ЦП 88- J«L Vio6 f+i 300

3 Устройство управления находится на УВВ Интерфейс любой 90 300

3 Устройство управления-ЦП, и + 3 (^-Г 66106 Тупик Требуется возврат на предыдущий уровень Ни один из предложенных интерфейсов не позволит ввести в ВС указанный блок данных за требуемое время Попробуйте использовать устройство управления на УВВ 90 300

3 Устройство управления-ЦП, и + 3 ^ и + 3 --г 66 106 33 106 Интерфейс - РС1(32,66) - ra -J 250

3 Устройство управления-ЦП, и + 3 п -;г<*<-г 33 1 06 4 1 06 1 Интерфейс -РС1(32,66) 2 Интерфейс -РС1(32,33) »ra "j 2 l (» + 3) J 1 250 2 240

Для вычисления данных коэффициентов была создана вспомогательная программа При некоторых фиксированных коэффициентах а3 методом наименьших квадратов вычисляются коэффициенты а1 к а2 Окончательно выбирается функция, имеющая наименьшую дисперсию

Затем на этапе функционирования системного интеллектуального подсказчика в зависимости от заданного пользователем числового значения параметра х вычисляются весовые коэффициенты потенциально эффективных продукционных правил блока логического вывода с помощью функции f(x)

Таким образом, методика формирования весовых коэффициентов потенциально эффективных продукционных правил позволяет выявлять вероятность успешности решения задачи формирования АСНИ с заданными характеристиками в результате срабатывания тех или иных продукционных правил с учетом сформированных частичных решений

Для реализации блока логического вывода системного интеллектуального подсказчика была разработана оригинальная математическая модель на основе продукционной и фреймовой моделей представления знаний

Обозначим N — количество подпространств в общем пространстве возможных решений, X — множество элементов следующего типа в X содержатся как целевые элементы логического вывода, такие как операционная система, интерфейс и др , так и вспомогательные элементы, необходимые для функционирования логического вывода U - множество логических элементов — индикаторов утвержденности, принимающих значения О или 1 V хеХ В' u eU & |Х| = ¡U| Обозначим функцию взаимно однозначного соответствия F, таким образом V хеХ Э1 u eU F(x) = и

После определения входных данных задачи имеем V ueU и = О В каждом подпространстве n l<n<N утверждается определенное количество элементов, образующих подмножество Х„сХ Признаком утвержденности является переход в 1 соответствующих логических элементов V xeXn F(x) = 1 При этом

N N

ПХи=О [}ХП = Х

п-1 , п-1

В каждом подпространстве работает определенное количество продукций, в условии которых участвуют как элементы из множества X, так и

элементы из множества и Результатом срабатывания продукции является изменение значений элементов множеств X и и

Пусть Хп, и„ — множество значений элементов множеств X, и в подпространстве п Тогда \/п 1<п<НЗК Ук 1<к<КЗРпк (Хп,и„) = Рпк(Х,и)

Указанные продукции Рпк являются недетерминированными, то есть изменение (Хп, и„) может произойти, а может и нет Каждой продукции Рпк приписана весовая функция Я„к в соответствии с критерием выбора продукции на уровне п Кп

Кцк(Рпк, К„, X) е Я, где Я - множество действительных чисел При этом весовая функция может быть константой Выделяются критерии на основе вероятности реализации, минимизации стоимости, критерий с учетом предпочтений пользователя

Обязательным условием функционирования системы логического вывода является в каждом подпространстве срабатывает единственная продукция (с максимальным значением весовой функции или выбранная лицом, принимающим решения) или осуществляется переход на предыдущий уровень

Уп 1 <п<14 Если 3 Рпк (Хп, ип) Ф (Хп.ь Ци), то Рпк - единственна Условием выполнимости продукционной системы является Уп 1<п<И, Уи € ип 3 { е Рпк (и = ВДХ) & = ДДХ) = 1) То есть решение можно найти, если все элементы множества X утверждены

На основе математической модели была разработана алгоритмическая модель функционирования продукционной системы логического вывода (рис 4), а также инструментальная оболочка

Частично сформирована база данных аппаратных и программных средств реализации АСНИ с учетом требований подсказчика

Тезаурусная система знаний, содержащая разработанный вариант системного интеллектуального подсказчика, тезаурус предметной области, модели функционирования АСНИ, может быть использована разработчиками АСНИ недостаточно высокой квалификации как эффективное средство поддержки принятия решений и повышения их качества В развитие темы исследования возможно создание промышленного варианта системного интеллектуального подсказчика

Вычисление ве сов ого коэффициента продукции

Рис 4 Алгоритмическая модель функционирования продукционной системы логического вывода

Глава 4. Разработка АСНИ в области медицины и высокотемпературной электрохимии.

Созданные элементы тезаурусной системы знаний позволили при разработке конкретных АСНИ добиться лучших временных и точностных характеристик, большей производительности, снижения стоимости разработок

Так было создано несколько вариантов многофункциональной автоматизированной системы кулонометрического контроля для проведения экспериментов в области высокотемпературной электрохимии в зависимости от платформы (типа операционной системы Windows, Real-time Linux, плат ввода-вывода, наличия цифровых сигнальных процессоров на этих платах и т п ), функционирующих в реальном масштабе времени в широком диапазоне (интервал между измерениями (4*10-7 — 1) с, время реакции системы на внешние события (8* 10"7 - 6* 10"5) с) (таблица 2)

Таблица 2

Технические характеристики реализованных систем в зависимости

от выбора аппаратно-программных средств

Операционная система Плата ввода-вывода (цена) Интервал между измерениями (задается пользователем), с Возможная задержка меяаду двумя измерениями, с Время реакции системы на накопление заданного Q, с Абсолютная погрешность АЦП на плате, В

Wmdows-98 L-783 (PCI) ($430) 4*Ю"'-1 Отсутствует 8*10"' 3*10"4

Windows-98 L-780 (PCI) ($340) 2 5*10 6 - 1 Отсутствует 3*10"6 1*10"

Windows-98 A812PG (ISA) ($160) 1 6*10*-1 Непредсказуемо (определяется Windows) Не менее 1 6*10"5 Верхняя граница определяется Windows 9*10"4

Real-Time Linux 2 2 A812PG (ISA)($160) 1 6*10" - I 6*10"5 1 6*10"~ 6*10"5 9*10"4

Также был создан ряд экспериментальных установок для исследования физиологических процессов, протекающих в биологических объектах под действием импульсов электрического тока, и на их основе электротерапевтические аппараты серии "Магнон-Скиф" Применение двухуровневой системы управления, а именно, введение дополнительного блока высокоскоростного управления и контроля на базе цифровых сигнальных процессоров АЕ)8Р-2186 (рис 5), позволило получить новый технический результат, защищенный патентом на полезную модель реализация в аппарате быстродействующего генератора импульсной последовательности и быстродействующей обратной связи (время реакции от 10~5 с), удовлетворяющей требованиям современных задач медицины, обеспечивающей воз-

можность контроля параметров объекта и автоматической коррекции импульсной последовательности в зависимости от этих параметров

Биологический объект

Жесткий диск Дисплей

Усилитель

Pentium III Windows-98

ЦАП АЦП

ГР-^л

L-ADSP-2186 <J

Канал ЮМА

L-783

РС1

Рис 5 Структурная схема аппарата «Магнон-Скиф-200К»

Применение данных комплексов в медицинской практике и научных исследованиях позволило выявить такие1 эффекты, протекающие в биологических объектах как овершут, гистерезис, разработать метод высокоскоростной хронаксии, графический итерационный метод, применение которых в медицинской практике существенно повышает качество лечения и снижает его сроки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В диссертации на основе выполненных теоретических и экспериментальных исследований предложены элементы тезаурусной системы знаний и методы ее применения в процессе формирования АСНИ в условиях вуза, а также несколько конкретных АСНИ, разработанных с помощью данной методологии

Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем

1 В результате анализа научно-методических информационных источников выявлены аналоги, предложен прототип средств автоматизации разработки АСНИ, предназначенных для использования в высшем профессиональном образовании, указаны и устранены большинство его недостатков, на концептуальном уровне определена специфика применения ин-

теллектуальных средств поддержки разработки АСНИ в условиях вуза подсказывающие, направляющие и объясняющие инструменты, имитирующие последовательность действий специалиста по созданию АСНИ

2 Создан тезаурус формирования АСНИ, в достаточно большом объеме произведено его наполнение формализованными знаниями сформирована иерархическая структура тезауруса формирования АСНИ, структурно-функциональная модель функционирования АСНИ, математическая и алгоритмическая модели функционирования блока логического вывода Указанные средства позволяют существенно повысить качество принимаемых решений, что влечет к лучшим показателям производительность-стоимость АСНИ, снижению сложности систем, сокращению времени их разработки

3 Построено пространство поиска решений, определен метод поиска - поиск в фиксированном множестве подпространств, разработана система логического вывода на основе продукционно-фреймовой модели представления знаний, где осуществляется выборка потенциально эффективных продукционных правил на основе оригинальной методики расчета весовых коэффициентов

4 На основе тезауруса формирования АСНИ создан демонстрационный вариант системного интеллектуального подсказчика, позволяющий использовать разработанные интеллектуальные средства тезаурусной системы знаний Проведены многократные экспериментальные проверки функционирования подсказчика при решении ряда типовых задач в процессе создания автоматизированных систем научных исследований, что показало высокую эффективность его применения

5 С помощью тезаурусной системы знаний реализовано несколько вариантов автоматизированной системы кулонометрического контроля, которые могут быть применены как в научных целях для исследования быстропротекающих процессов, так и в промышленных и полупромышленных целях как эффективное технологическое средство Также разработан электронейромиостимулятор «Магнон-СКИФ200К», который успешно внедрен в исследовательскую деятельность ряда организаций, а также запущен в серийное производство В данном аппарате реализован новый технический результат, заключающийся в применении двухуровневой системы управления, что позволило реализовать быстродействующий генератор импульсной последовательности и быстродействующую обратную связь, характеристики которых удовлетворяют требованиям современных

задач медицины Применение аппаратов данной серии позволило получить ценные научные результаты в области медицины и биологии

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА

Статьи, опубликованные в периодических изданиях,

рекомендованных ВАК

1 Гольдштейн М JI, Матвеев А В Автоматизированная система ку-лонометрического контроля // Приборы и техника эксперимента - 2003 № б - С 48-54

2 Гольдштейн М JI, Матвеев А В Современные средства аналогового и цифрового ввода-вывода// Датчики и системы - 2004 № 6 - С 56-65

3 Матвеева Т А, Матвеев А В К вопросу о математическом моделировании состояний биологических объектов // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ Екатеринбург ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004 № 11 (41) Выпуск 7 -С 344-346

4 Матвеев В А , Гуляев В Ю , Матвеев А В , Оранский И Е Метод оптимизации длительности проведения электротерапевтических процедур // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры - 2005 №2 -С 34-36

5 Матвеев В А , Гуляев В Ю , Матвеев А В , Оранский И Е К вопросу оптимизации параметров ноцицептивной системы нелинейные эффекты возбуждения ноцицептивной системы // Вопросы курортологии, физиотерапии и лечебной физкультуры -2006 №1 -С 11-13

Другие публикации автора

6 Гуляев В Ю , Матвеев В А, Матвеев А В и др Опыт применения хронаксиметрической электродиагностики и ее математическое моделирование // Новые технологии восстановительной медицины и курортологии (физиотерапия, реабилитация, спортивная медицина) Материалы VII Международного форума, 1-7 октября 2000 г - Турция, Анталия - С 46-47

7 Гольдштейн М JI, Матвеев А В Многопроцессорная система сбора и обработки данных научного эксперимента // Материалы международного научно-практического семинара «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах», 20-24 ноября 2001 г, - Н Новгород, 2001

8 Гуляев В Ю , Матвеев В А, Матвеев А В и др Электрофизиологическая функция и электродиагностика НМА Новые технологии восстановительной медицины и курортологии (физиотерапия, реабилитация, спортивная медицина) // Материалы VIII международного форума, 21-28 апреля 2002 г - Тунис, Хаммед -С 148-150

9 Гольдштейн М JI, Матвеев А В Моделирование многопроцессорной подсистемы ввода и первичной обработки информации автоматизированных систем научных исследований // Алгоритмы и программные сред-

ства параллельных вычислений [Сб науч тр ] Екатеринбург УрО РАН, 2002 Вып 6 - С 129-148

10 Goldshtein М L , Matveyev А V The Structurally-Functional Modelling of Multiprocessor Subsystem of Input and Preprocessing П Proceedings of the IASTED International Conference "Automation, Control, and Information Technology", June 10-13, 2002 - Novosibirsk, Russia -P 370-375

11 Goldshtein M L , Matveyev A V The Usage of Intellectual Input-Output Cards for Forming of Medical Complexes // Proceedings of the IASTED International Conference "Automation, Control, and Information Technology", June 10-13,2002 - Novosibirsk, Russia -P 37-39

12 Goldshtein ML, Matveyev A V The Semi-Formal Model of Multiprocessor Input-Preprocessing Subsystem // Проблемы управления и моделирования в сложных системах Труды IV Международной конференции / Под ред акад В П Мясникова — Самара Самарский научный центр РАН, 2002 - С 227-233

13 Goldshtein ML, Matveyev AV The complex for elektroimpulse therapy on the base of boards with DSP // Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии Доклады 5-й межд науч -техн конф - Владимир Фирма «Рост», 2002 -С 182-185

14 Goldshtein ML, Matveyev AV The Informal Modeling of Input-Preprocessing Subsystems For Scientific Research // Proceedings of the 10th Digital Signal Processing Workshop, 2nd Signal Processing Education Workshop, October 13-16,2002 - Callaway Gardens, Pine Mountain, Georgia, USA

15 Матвеев В А и др Динамическая электроимпульсная терапия // Новые биокибернетические и телемедицинские технологии 21 века для диагностики и лечения заболеваний человека Материалы междисциплинарной конференции с международным участием - Петрозаводск, 2003,-С 27

16 Патент на полезную модель № 32697 «Электронейромиостимуля-тор» Зарегистрирован в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 сентября 2003 г

17 Матвеев А В Разработка элементов системного интеллектуального подсказчика построения автоматизированных систем научных исследований // Алгоритмы и программные средства параллельных вычислений [Сб науч тр ] Екатеринбург УрО РАН, 2003 Вып 7

18 Матвеев А В Формирование тезаурусной системы знаний в области построения автоматизированных систем научных исследований // XXXV региональная молодежная школа-конференция «Проблемы теоретической и прикладной математики», г Екатеринбург, 26-30 января 2004 г

19 Матвеев А В Современная аппаратура динамической электроимпульсной терапии // Новые технологии в медицине Сб докл Первой международной дистанционной науч-практ конф, 15-30 марта 2004 года -СПб , 2004 - С 90-91