автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Исследование средств представления и обработки знаний в экспертных системах анализа постполетной информации авиационных радиолокационных комплексов

На правах рукописи

СИНЕВ Михаил Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗНАНИЙ В ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМАХ АНАЛИЗА ПОСТПОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ АВИАЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальности: 05.13.17 - Теоретические основы информатики; 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 НОЯ 2013

ПЕНЗА 2013

005539287

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Пащенко Дмитрий Владимирович.

Научный консультант - доктор технических наук, профессор

Вашкевич Николай Петрович.

Официальные оппоненты: Савельев Борис Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», кафедра «Информационно-вычислительные системы», профессор;

Пикулин Василий Васильевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет», кафедра «Прикладная информатика», профессор.

Ведущая организация - ОАО «Корпорация «Комета»,

г. Москва.

Защита диссертации состоится «19» ре^сюрЯ 2013 г., в \£> часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.01 в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет».

Автореферат разослан « {£» ко-аЬр-Я 2013 г.

Ученый секретарь ^

диссертационного совета Гурин Евгений Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается значительный рост исследований и разработок в области авиации. Данные исследования направлены как на создание новых образцов техники, так и на модернизацию старых. Одной из основных проблем, возникающих при испытании и эксплуатации авиационных комплексов, является обеспечение функций контроля процесса эксплуатации. Поэтому в состав комплексов входят средства объективного контроля (СОК), обеспечивающие анализ состояния технических средств комплекса, окружающей обстановки и действий операторов.

До настоящего времени не была разработана экспертная система анализа постполетной информации, задокументированной авиационными комплексами радиолокационного дозора и наведения (АК РЛДН).

Программные средства, базирующиеся на технологии экспертных систем (ЭС), получили значительное распространение в мире. В зарубежных странах проводятся активные исследования и работы по применению прикладной информатики, искусственного интеллекта и ЭС. В частности, в этой области известны работы следующих ученых: Edward Shortliffe, Bruce Buchanan, Stanley N. Cohen, Hector Levesque, William A. Martin, Joel Moses. В России этой проблеме посвящены работы П. О. Сафонова (ВГТУ, Воронеж), В. А. Нагина (МГИЭТ (ТУ), Москва) и др.

Однако использование существующих средств представления и обработки знаний, применяемых в универсальных ЭС, не всегда оправдано вследствие ограничений, связанных со спецификой входных данных и режимов обработки документируемой информации. Усложнение задач, решаемых АК РЛДН, накладывает дополнительные ограничения на систему контроля, вследствие чего возрастает объем, увеличиваются сложность и время обработки задокументированных данных. При этом актуальными становятся:

— разработка методов анализа сложной разнородной информации для ЭС объективного контроля постполетной информации авиационных комплексов;

— разработка параллельных алгоритмов анализа данных с целью повышения скорости обработки зарегистрированной информации;

— разработка способа представления разнородных знаний для их обработки машиной логического вывода с использованием параллельных алгоритмов.

Целью диссертационной работы является разработка научно обоснованных технических решений по повышению оперативности и автоматизации анализа постполетной информации авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения с использованием ЭС объективного контроля.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие частные задачи:

1. Исследование способов представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы объективного контроля постполетной информации.

2. Разработка метода анализа данных о состоянии аппаратуры и действиях операторов авиационных комплексов при выполнении процедур контроля с использованием экспертной информации.

3. Разработка и исследование алгоритмов анализа данных в решателе экспертной системы объективного контроля постполетной информации.

4. Исследование информационных процессов в имитационных и натурных моделях решателя экспертной системы объективного контроля постполетной информации.

Объектом исследования являются машины логического вывода экспертных систем объективного контроля постполетной информации авиационных комплексов.

Предметом исследования являются средства представления и обработки знаний в ЭС наземного объективного контроля, методы и алгоритмы обработки разнородных данных на основе анализа экспертной информации.

Методы исследования. Для решения поставленной в диссертационной работе задачи анализа данных с использованием интеллектуальных ЭС применялся комплекс математических методов и алгоритмов по формализации исходных данных и интеллектуальному выводу с использованием пополняемой базы знаний. Проведенные в работе исследования базируются на теории множеств, описании системы с использованием предикатов второго порядка и теории диагностических ЭС, а также методах поиска решений в ЭС. На всех этапах исследования применяются элементы математического и натурного моделирования решателя системы объективного контроля с использованием теории событийных недетерминированных автоматов (СНДА).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил. Он основан на методе контроля действий операторов авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения и отличается возможностью совместной и параллельной обработки информации о действиях операторов и техническом состоянии комплекса.

2. Разработаны алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки, адаптированные для реализации предложенного метода. Отличительной особенностью данных алгоритмов является совместная обработка постполетной информации по нескольким задачам контроля, что позволяет сократить время анализа путем уменьшения количества обращений к массиву задокументированных данных.

3. Разработана математическая модель последовательного и параллельных алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, основанная на формализации функций взаимоисключения критических участков, предложенной Н. П. Вашкевичем, которая позволяет проводить оценку оперативности выполнения исследуемых алгоритмов. Отличи-

тельной особенностью данной модели является возможность исследования зависимости времени работы каждого алгоритма от структуры и объема входной информации.

4. Предложен способ представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы с использованием объектно-ориентированной и предикатной моделей, что позволяет в отличие от известных способов унифицировать хранение и обработку экспертной информации в единой базе знаний.

Теоретическая значимость исследования обусловлена тем, что произведена формализация процедур объективного контроля, позволяющая автоматизировать процессы обработки информации о функционировании системы, зарегистрированной устройствами регистрации.

Практическая ценность работы связана с архитектурными и функционально-структурными решениями для разрабатываемых систем объективного контроля авиационных радиолокационных комплексов Вооруженных сил России, устройств управления заправочными объектами и сходных диагностических систем военного и гражданского назначения:

1. Разработана структура базы знаний экспертной системы диагностики, позволяющая вести автоматизированную обработку информации в многоядерной вычислительной среде.

2. Проведено моделирование решателя экспертной системы объективного контроля постполетной информации авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения, позволившее выполнить сравнительный анализ оперативности выполнения последовательного и параллельных алгоритмов контроля действий операторов и состояния аппаратуры.

3. Разработан клиент контроля экспертной системы, позволяющий вести обработку файлов сценариев для последующего создания отчета о проведении процедур контроля и использующийся в системе объективного контроля постполетной информации авиационного комплекса А-100 и стендового оборудования для проверки промышленных контроллеров управления объектами заправки.

Определены границы практического применения результатов исследования. Описаны условия, которым должны соответствовать системы, чтобы исследовать их с помощью предложенного в диссертации подхода - это класс систем анализа задокументированной и не изменяемой после регистрации постполетной информации, имеющей временные ограничения на обработку.

Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 — Теоретические основы информатики (технические науки) по следующим областям исследований:

— п. 4 «Исследование и разработка средств представления знаний. Принципы создания языков представления знаний, в том числе для плохо структурированных предметных областей и слабоструктурированных задач; разработка интегрированных средств представления знаний, средств представления знаний, отражающих динамику процессов, концептуальных и семиотических моделей предметных областей»;

— п. 5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста, устной речи и изображений»;

- п.12 «Разработка математических, логических, семиотических и лингвистических моделей и методов взаимодействия информационных процессов, в том числе на базе специализированных вычислительных систем»;

- п. 14 «Разработка теоретических основ создания программных систем для новых информационных технологий»;

а также паспорту специальности 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети по следующим областям исследований:

— п. 4 «Разработка научных методов и алгоритмов организации параллельной и распределенной обработки информации, многопроцессорных, многомашинных и специальных вычислительных систем»;

- п. 6 «Разработка научных методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил.

2. Алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки.

3. Математическая модель алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием параллельной обработки.

4. Способ представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы с использованием объектно-ориентированной и предикатной моделей.

5. Математическое и натурное моделирование подсистемы вывода решения и исследование информационных процессов в экспертной системе.

6. Клиент контроля для экспертной системы, позволяющий вести обработку файлов сценариев для последующего создания отчета о проведении процедуры контроля.

Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также практикой разработки, внедрения и эксплуатации диагностических ЭС, в частности, для авиационного радиолокационного комплекса А-100 и промышленных контроллеров управления объектами заправки.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в Пензенском государственном университете:

— федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (соглашение № 14.В37.21.0597);

- НИР № 01201257166 «Развитие теории организации взаимодействия параллельных процессов в распределенных системах обработки данных» в рамках государственного задания на 2012-2013 гг.

Получены 3 акта внедрения результатов диссертационного исследования в следующих опытно-конструкторских работах:

- наземный комплекс обработки и дешифрирования информации для авиационного комплекса А-100 - «ПРЕМЬЕР-НКОД» - ОАО «Концерн «Бега», г. Москва, ОАО «НПП «Рубин», г. Пенза;

- процедурный тренажер наземного комплекса обработки и дешифрирования информации для авиационного комплекса А-100 - «ПТ НКОД» — ОАО «Концерн «Вега», г. Москва, ОАО «НПП «Рубин», г. Пенза;

- стендовое оборудование для проверки разрабатываемых промышленных контроллеров - ЗАО «НЙИФИ и ВТ», г. Пенза.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008, 2010, 2012 гг.); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации» (Ульяновск, 2009 г.); Международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2013 г.). Основные результаты работы также докладывались на ежегодных конференциях, проводимых в «ОАО «НПП Рубин» и в Пензенском государственном университете.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 27 печатных работ, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 9 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.

Личный вклад соискателя состоит в анализе ситуации, сложившейся на данном научном направлении, в постановке задач с использованием практического опыта автора и решении этих задач с применением передовых достижений науки и техники. Автор принимал непосредственное участие в практических и научных исследованиях по разработке диагностических экспертных систем для авиационных радиолокационных комплексов, по результатам которых получено 9 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. На основе методик, алгоритмов и моделей, предложенных в диссертационном исследовании, автором был разработан клиент контроля для экспертной системы объективного контроля постполетной информации разрабатываемого авиационного комплекса А-100 и стендового оборудования для проверки промышленных контроллеров управления объектами заправки, что подтверждается тремя актами о внедрении результатов диссертационного исследования.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав основной части и заключения, изложенных на 127 страницах (включая 50 рисунков, 15 таблиц), перечня принятых сокращений, списка литературы и трех приложений на 25 страницах.

Краткое содержание работы

Во введении раскрывается актуальность темы диссертации, определяется цель работы, описываются методы исследования, излагаются основные научные результаты, обосновывается теоретическая и практическая значимость работы, дается ее общая характеристика.

В первой главе проведен анализ как области применения ЭС объективного контроля постполетной информации АК РЛДН, так и математических методов и алгоритмов по формализации исходных данных и интеллектуального вывода, применяемых в схожих отечественных и зарубежных системах.

Проведено исследование информационных процессов в контролируемой системе, базирующееся на научных работах А. И. Леонова, Ф. В. На-гулинко, В. С. Вербы, В. И. Меркулова, А. В. Васильева, в результате которого была создана модель функционирования АК РЛДН с точки зрений «наблюдателей» и «объекта», представленная диаграммами стандарта документирования процессов IDEF3. На основании данной модели были выделены классы сценариев диагностики, необходимые для наземного комплекса объективного контроля.

Предложенная система сценариев объективного контроля с использованием стандарта онтологического исследования IDEF5 позволила описать структуру и диаграмму состояний системы объективного контроля и диагностики, являющуюся основой программной реализации решателя ЭС.

База знаний ЭС объективного контроля АК РЛДН состоит из двух частей:

— знаний о документируемых данных, получить которые можно только у экспертов - разработчиков системы документирования;

— описания проводимых процедур контроля, последовательность которых определяет специалист по анализу данных. Для создания сценария проверки используется база знаний о входных структурах разбираемых данных.

В случае объективного контроля постполетной информации АК РЛДН требуется найти все решения (случай отказа аппаратуры, критические и системные сбои, нестабильности в работе, ошибочные действия операторов). Установлено, что поиск решений в данном случае необходимо осуществлять на основе метода «иерархическая генерация-проверка». При этом область контролируемых кодограмм легко иерархически разбить на классы с помощью ранее описанной композиционной схемы организации сценариев объективного контроля. В главе исследованы подходы представления данных, правил и моделей проблемной области, предложенные William J Van Melle, Marvin Minsky, С. В. Жернаковым для ЭС, обладающих сходными свойствами с системами объективного контроля постполетной информации АК РЛДН. Установлено, что существующие модели организации проверочной базы знаний позволяют создавать ЭС, ориентированные на определенный класс задач, сохранив способности к объяснению и приобретению знаний. Общим для всех рассмотренных подходов к построению проверочной базы

знаний и поиску решения по этой базе является использование образцов при вызове модулей или правил. Однако малая мощность подобных правил приводит к усложнению алгоритмов при решении сложных задач.

В результате проведенного исследования установлено, что не существует общераспространенных алгоритмов контроля радиолокационных комплексов, что обусловлено быстрым развитием номенклатуры АК РЛДН, узкой специализацией подобных систем контроля и применением таких систем в военных системах и системах двойного назначения.

Проведенный в первой главе анализ показал, что для решения задачи создания ЭС объективного контроля постполетной информации АК РЛДН необходима доработка используемых методов с целью их адаптации к исследуемой предметной области.

Во второй главе предлагается способ представления данных в проверочной базе знаний ЭС, отражающий динамику процессов в рассматриваемой предметной области. Для построения проверочной базы знаний ЭС предлагается использовать несколько представлений: модель сценариев проверки удобно представить в виде классов, а типовые процедуры проверки описать с использованием логических моделей. При этом иерархический характер сложной системы отражается в виде иерархии классов, а ее функционирование рассматривается как взаимодействие объектов, с которыми ассоциируются функции логики предикатов. Объектно-ориентированная модель сценариев проверки представлена на рис. 1.

Рис. 1. Объектно-ориентированная модель сценариев проверки Совместное использование логики предикатов и объектно-ориентированного подхода позволяет увеличить сложность алгоритмов проверки и, как следствие, расширяет функциональные возможности решателя ЭС.

Определено, что особую сложность представляет контроль действий операторов. Каждый оператор располагается на своем рабочем месте и выполняет определенные задачи. Суть контроля состоит в том, чтобы проверить правильность последовательности действий по выполнению конкрет-

ной задачи и правильность функционирования аппаратуры при выполнении этих действий. Для этого необходимо из общего массива задокументированных в процессе эксплуатации данных выбрать действия конкретного оператора, определить, какую именно задачу он выполнял, и оценить правильность ее выполнения. Кроме того, требуется проанализировать информацию, зарегистрированную аппаратурой: состояние каналов передачи, положение сопровождаемой цели и т.д.

Задачу анализа предлагается разбить на три подзадачи:

- фильтрация из общего массива данных записей, относящихся к одной и той же задаче;

- контроль порядка действий, выполняемых оператором;

- контроль состояния аппаратуры.

Для анализа правильности действий операторов и работы аппаратуры используется математический аппарат, основанный на продукционных правилах. Для нахождения ошибок были разработаны скрипты проверки, управляемые «образцами», которые работают с набором записей по конкретной задаче. На каждом шаге работы такой скрипт анализирует текущую ситуацию и определяет по анализу «образцов», какой модуль скрипта подходит для обработки этой ситуации.

Пусть Я - множество упорядоченных по времени записей, являющихся отображением подмножества упорядоченного множества кодограмм С. При этом Я можно представить как множество, состоящее из элементов

г]={1,х,р1,р2,ръ,...,рпр), (1)

где г - время записи; х - задокументированная команда оператора или аппаратуры комплекса; рх,рг,ръ,...,р„р- дополнительные поля записи, используемые при фильтрации и анализе, здесь пр - количество информационных полей в записи гг

Для дальнейшего анализа записи /у вводится понятие скрипта проверки. Как следует из опыта применения АК РЛДН предыдущих поколений, любая задача, выполняемая ими, строго формализована и состоит из конечного набора команд, используемых в различных режимах работы.

В диссертации составлен единый словарь возможных команд X, представляющий собой список эталонных образцов для системы вывода:

X ={х\,х2,...,хШсСоип1\, (2)

где (ПсСоши — размерность словаря.

Для анализа входной последовательности необходимо провести фильтрацию элементов множества Я в (1). Для этого вводится понятие фильтра входной последовательности состоящего из элементов множества /], имеющих поля, эквивалентные одноименным полям элементов множества Я:

Л={Р1,Р2'РЗ, — ,Рт}' (3)

где т — размерность фильтра, при этом т<пр.

Статистическая оценка порядка выполнения команд осуществляется с использованием скриптов проверки. Под скриптами проверки предлагается понимать упорядоченное множество скриптов проверки Я, состоящее из элементов

хstart'

{р = {kortbkort2,...,kortnk}), [е = {kortslopW..,kortstopl}}, {f = {Pb-,Pm}}

(4)

где xstart- стартовая команда скрипта s,; Р - множество, состоящее из пк кортежей промежуточных условий скрипта J,-; Е- множество, состоящее из I кортежей kortstop условий завершения скрипта s;; /- элемент множества F,

состоящий из т фильтруемых полей.

kort является кортежем условий

kort х, у, At >, (5)

где у является элементом множества выполненных команд Y, эквивалентным множеству X зарегистрированных команд (X ~ У); At - интервал времени между командами.

Такое описание удобно при заполнении скриптов проверки экспертом для дальнейшего использования в работе продукционными правилами.

Так как обработка информации осуществляется сразу по нескольким скриптам, необходимо ввести понятие «диагностическая последовательность», которая будет использоваться при работе продукционной системы. Диагностическая последовательность является динамически изменяемым, помеченным множеством D, состоящим из элементов d.

Каждому элементу d, являющемуся, по сути, памятью, соответствует кортеж признаков

d=<y,f,t,n, id,stack, status >, (6)

где t - время возникновения события у; п - номер скрипта в множестве S; id - уникальный идентификатор элемента d в диагностической последовательности D; stack - элемент памяти, уникальный для каждого d, которому соответствует множество элементов <x,t>, организованный по принципу стека; status - элемент множества {jiari, finish, execute, bad), служащий для хранения текущего состояния диагностической последовательности.

Для доступа к кортежам признаков введенных множеств используется оператор О. Для записи значения элемента кортежа введен оператор <<->. Дополнительно вводится оператор saveReport(Rep, D, id) для сохранения результата анализа диагностической последовательности с идентификатором id в глобальное интегральное множество «Отчет»-Rep.

и

бе (rj>D,S, Rep) = v id=1

&3z

->

->

//

(7)

Решатель последовательно выполняет продукционные правила над каждым элементом множества R — rj. Продукционное правило срабатывания одного из завершающих условий QE может быть записано в виде

rr(\/did.f.p{did.f.pzrj))& /

(sdidJ1.E.kort:x ~ rjjc) &

4sdldM-EJi0r':-y~ did-y) &

&i(rjJ-didJ)<sdu„.EJwrtz.At) ^ r(did.y<r-rjX)8i(did.t<r-rj.t)& &ldid stack <-< rj JC,rj.t >)&(did status <— finish) & ScsaveReport(Rep, D, id)

Таким образом, предлагается метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, позволяющий выстраивать цепочки выявления ошибок с использованием продукционной модели представления знаний, теории предикатов и теории ЭС. Использование данного метода позволит максимально автоматизировать процедуру контроля.

Отличие данного метода от известных методов ретроспективного анализа заключается в поиске в пространстве состояний успешных, ошибочных и неточных действий операторов и реакций аппаратуры на эти действия, а не только данных о возникновении ошибки.

Приведен пример скрипта комплексной проверки аппаратуры и операторов АК РЛДН. Формализация данного метода позволяет говорить о его непротиворечивости, а применение в системе объективного контроля АК РЛДН - о решаемости и адекватности.

На основании предложенного метода в диссертации разработаны алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки. Предложенный в диссертации последовательный алгоритм позволяет сократить количество обращений к массиву задокументированных данных. Однако при последовательной обработке полностью не используются все возможности многопроцессорной архитектуры. Самым простым решением является разделение общего массива данных на части по количеству доступных процессов. У предлагаемого параллельного алгоритма есть недостаток - если начало последовательности данных окажется в одном блоке, а окончание - в другом, то алгоритму обработки потока придется анализировать уже обработанные другими потоками записи, т.е. выполнять избыточные операции. Эта проблема решается использованием параллельного алгоритма с динамическим распределением данных по потокам (рис. 2), который последовательно считывает данные с внешних носителей информации и отдает их на обработку параллельным процессам.

Рис. 2. Схема параллельного алгоритма обработки с динамическим распределением данных по потокам обработки

В схеме обработки можно выделить:

- список скриптов. Каждый скрипт имеет условие входа, внутренние шаги и условие окончания отслеживания;

- список диагностических последовательностей (блок 6) - это отслеживаемые в текущий момент наборы команд, которые указываются полем фильтра. Каждый элемент данного списка содержит указатель на отслеживаемый скрипт отказа или проверки и текущий шаг обработки диагностируемых данных.

В третьей главе рассмотрено математическое моделирование параллельных и последовательного алгоритмов обработки больших массивов данных в системе объективного контроля. В качестве критерия эффективности функционирования каждого алгоритма в диссертации выбрано время обработки постполетных данных. Для исследования временных характеристик выполнения алгоритмов в диссертации предлагается использовать следующий подход. Математической модели, построенной с использованием теории СНДА, ставится в соответствие внутренняя переменная I, принимающая целые неотрицательные значения и указывающая общее время выполнения моделирования. Пусть имеется событие 5,-, характеризующее какой-либо шаг алгоритма, для

которого А?, - время выполнения данного шага алгоритма, эквивалентное а,, тактам моделирования, т.е. представленный на рис. 3 переход из предшествующего события в событие Б,- возможен только через время А/, .

-о-

Рис. 3. Фрагмент графа временного автомата

Предлагается ввести пустое событие ¿у, которое имитирует ожидание появления истинности условия характеризующего момент окончания выполнения шага алгоритма :

, ГИСТИНА, если СЧТ. = 1, р [ЛОЖЬ-иначе, где СЧТ,- - счетчик времени выполнения шага алгоритма Я,-.

Тогда переходу из предшествующего события Я/ в событие 5}, представленному на рис. 3, ставится в соответствие фрагмент графа, изображенный на рис. 4, где Б'уст - событие, определяющее установку времени

ожидания СЧТ,- := я,-; ^чет - событие, определяющее отсчет времени выполнения шага алгоритма СЧТ,- := СЧТ,- -1.

Рис. 4. Фрагмент графа срабатывания временного автомата Использование данного подхода позволяет учесть временные задержки выполнения шагов алгоритма в системе рекуррентных канонических бескванторных уравнений недетерминированного автомата (НД СКУ), при этом сама модель представляется в компактном и наглядном виде.

На рис. 5 приведено графическое представление фрагмента математической модели, используемого для описания синхронизации потоков при обращении к Р-му разделяемому ресурсу. Для управления параллельными потоками при решении задач межпоточного взаимодействия использовалась формализация функций взаимоисключения критических участков, предложенная Н. П. Вашкевичем в своих работах.

Для статистической модели оценки времени выполнения алгоритмов работы подсистемы вывода решения были определены математические ограничения, накладываемые на работу решателя ЭС объективного контроля постполетной информации. Использование данных ограничений позволило определить входные параметры для моделирования исследуемого класса ЭС. В качестве входных данных предложено использовать последовательности, построенные согласно рассмотренному во второй главе диссертации примеру скрипта комплексной проверки аппаратуры и операторов АК РЛДН по нескольким рабочим местам и нескольким задачам. Определен минимальный и максимальный размер кодограммы, содержащей запись с входными данными.

Запрос потока на вход э свой критический участок

— событие, определяющее прием заявки /-го потока на обслуживание для обращения к Р-му разделяемому ресурсу

— событие, определяющее готовность к входу /-го потока в свой критический участок при обращении к 0-му разделяемому ресурсу

— событие, обеспечивающее заданное приоритетное обслуживание /'-го потока при обращении к р-му разделяемому ресурсу

5"^'' — событие, обеспечивающее взаимоисключение критических интервалов на основе несовместимости событий с другими событиями из их общего числа, равного л при обращении к р-му разделяемому ресурсу

— событие, символизирующее готовность разрешения входа /-го потока в Р-й критический ресурс

^доступ — событие, определяющее вход /-го потока в Р-й критический ресурс (начало операции над критическим ресурсом)

— событие, определяющее действие над Р-м разделяемым ресурсом йи потоком

— событие, определяющее выход /-го потока из Р-го критического ресурса

Выделение ресурса и обеспечение условия приоритетности и взаимоисключения

Описание основных событий:

— событие, свидетельствующее о том,

свобод „ „ „ ,

что р-и разделяемый ресурс свободен

Рис. 5. Графическое представление фрагмента математической модели алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры

Объем задокументированных данных рассчитывается по формуле

(с/ос 1=0

&2еНте + + X (Ся&геу -(Л'ге^+Ягеу)) х

(9)

^хБувРефгт х 1аякСоип1{{)

У = [1,2,...., Л

где (¿ос- общее время документирования, с; Б1геите - размер поля, содер-

жащего время документирования в формате UTC (равно 4 байтам); Size г —

общий размер фильтра (общих полей для всех кодограмм); J - количество совместно анализируемых кодограмм; CgSize: - размер кодограммы /,

байты; SysPerform - количество команд, выдаваемых системой документирования в единицу времени для каждой отслеживаемой задачи; taskCount(t) - количество задач, выполняемых в момент времени t.

Исследование проводилось на двух аппаратных конфигурациях, различающихся скоростью работы с жестким диском: в случае первой конфигурации использовался один жесткий диск, второй - несколько жестких дисков, объединенных в RAID 10 массив. В состав каждой конфигурации входит процессор с четырьмя вычислительными ядрами. Время выполнения основных атомарных операций в алгоритмах было измерено на заданных конфигурациях с доверительной вероятностью Р = 0,95 и подставлено в математическую модель в качестве ее параметра.

Для исследования была разработана специальная программа на языке Java, содержащая НД СКУ математической модели. Графические зависимости результатов моделирования функционирования разных алгоритмов на заданных аппаратных конфигурациях для минимального и максималь-

конфигурациях для мииимального и максимального размера кодограммы

Было обосновано использование параллельной обработки с динамическим распределением данных по потокам для решателя ЭС объективного контроля разрабатываемого АК РЛДН А-100 - наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (НКОД). Согласно проведенным исследованиям, применение алгоритма параллельной обработки с динамическим распределе-

нием данных по потокам на четырехядерной вычислительной системе дает уменьшение времени анализа кодограмм максимального размера в среднем в 1,62 раза по сравнению с алгоритмом последовательной обработки.

Четвертая глава посвящена практическому внедрению рассмотренных ранее методов и алгоритмов анализа данных для автоматизации процедур поддержки оперативного и специального контроля и информационной поддержки проведения полного контроля А-100.

Для проведения обработки исходной информации и представления ее результатов в соответствии с порядком и последовательностью выполнения оперативного и специального объективного контроля применения изделия А-100 в главное окно программы НКОД вводится панель «Объективный контроль», представленная на рис. 7. Результатом работы НКОД наряду с уточняющими селекциями экспертов, является файл отчета, структура которого может включать и графическую информацию. Отчет содержит данные, полученные в результате запуска сценария проверки (проверочных функций с параметрами, описанными как атрибуты модели сценариев, предложенной в главе 2).

( Табличное п[)едптпениг [Сити ГДцщинт : 00ы

Действия Вид Отчеты Помощь

шш

■ [> [специальный ^р] ["■©]

| ^Добасть ] кет

| а«..,.. |

| Иттпь |

В1ИМ11 сцонгрия: |кеп _

Со»дан: |к-н П«тр01~

Кодограииьс

Некйнтро.труехьи ОГР_1ЙР>ТД| <ХЯР_С№М> ТД5;Квнг®«кя по ОУР_Р5РУ> ТД2 согроеождееи <*ГР ТД7:Кс»Ш1ДЫ ОбУ

<&Р_СН£Н> ДОг двкуи-янаи'

06.13.09 7:26^

П>цо, осущеовляацее капрон»; |п-т Иаано» Зогоикхж; {/<?р1/мС0Р/герехагдр1^11еаЧеттУ Подг»кы |/оттсоР/герехатр)еЛоо!ег.нГ

^И И ш =1 га ш

Кодогршим длл эьгруэык

Згом

СЗсопюИйме т-СЭ Основные ¡¡-Пьем,

□ КРР.МОйЕ И КН>_1Ю

□ кн>.нюе .Сиоелад-

ПП ЕЮ

т

-----1НРЯ1Д1.............

<(№_ОВМ> 1Д5 СчЛиапв с рв «FP_.CS М> ОД:Ки1Ш№Я голв <КГР_Я5Л> Тдг штоидеш <Ш>Л150> ТД7Ж««в1ДЫ 06У

1Д1: М.И ДКУП я к!

I ,"1 V.ч л'*/' ' '

С

.твабдмд | | ^СОЧД.ЦИЬКЯ }| О Лргеарч | ;

Рис. 7. Клиент контроля для экспертной системы НКОД При разработке программного модуля проведения объективного контроля АК РЛДН, интерфейс которого представлен в четвертой главе, был реализован параллельный алгоритм комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с динамическим распределением данных по потокам.

В этой главе приведено сравнение результатов натурного моделирования на НКОД и математического моделирования параллельного алгоритма с динамическим распределением данных по потокам обработки для входных данных, представленных в главе 3 (рис. 8).

и Математическая модель

и Натурная модель

Рис. 8. Гистограммы зависимости времени обработки задокументированной за полет информации для натурной и математической модели

Определена корреляционная зависимость полученных результатов моделирования на натурной и математической моделях. Поскольку закон распределения величин не известен, для расчета использована ранговая корреляция Спирмена. Коэффициент ранговой корреляции Спирмена для полученных результатов моделирования составил 1 с вероятностью 95 %, что соответствует сильной и прямой связи. Следовательно, делается вывод об адекватности математической модели, разработанной в главе 3.

Приложения к основному тексту диссертации содержат свидетельства о регистрации программных продуктов, акты внедрений и листинги программ.

Основные результаты работы

В ходе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в работе, впервые получены следующие научные и практические результаты:

1. Предложен метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил. Метод отличается возможностью совместной и параллельной обработки информации о действиях операторов и техническом состоянии комплекса.

2. Разработаны алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки, адаптированные для реализации метода комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры. Отличительной особенностью данных алгоритмов является совместная обработка постполетной информации по нескольким задачам контроля, что позволяет сократить время анализа путем уменьшения количества обращений к массиву задокументированных данных.

3. С использованием событийных недетерминированных автоматов построена математическая модель последовательного и параллельных алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, позволяющая проводить исследования времени их выполнения в зависимости от структуры и объема входной информации.

4. Предложен способ представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы с использованием объектно-ориентированной и предикатной моделей, что позволяет в отличие от известных способов унифицировать хранение и обработку экспертной информации в единой базе знаний.

Минимальный размер кодограммы

Максимальный размер кодограммы_

Количество рабочих мест, шт

Количество рабочих мест, шт

5. Проведено математическое и натурное моделирование подсистемы вывода решения с целью сравнительного анализа разработанных алгоритмов последовательной и параллельной обработки, показавшее преимущества их использования при реализации на современных многоядерных процессорах. Установлено, что применение алгоритма параллельной обработки с динамическим распределением данных по потокам в четырехядерной вычислительной системе позволяет сократить время анализа кодограмм максимального размера в среднем в 1,62 раза по сравнению с алгоритмом последовательной обработки.

6. Разработан клиент контроля для экспертной системы, позволяющий вести обработку файлов сценариев для последующего создания отчета о проведении процедуры контроля. В данном клиенте апробированы алгоритмы и метод анализа постполетной информации, предложенные в диссертационном исследовании.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Синев, М. П. Методика построения систем объективного контроля авиационных радиолокационных комплексов / Д. В. Пащенко, М. П. Синев //Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 1. - С. 49-59.

2. Синев, М. П. Стратегия параллельной обработки массивов данных в системе объективного контроля радиотехнического комплекса радиолокационного дозора и наведения / Д. В. Пащенко, В. А. Мачалин, А. Н. Токарев, Д. А.Трокоз, М. П. Синев // Радиотехника. - 2010. - № 8. - С. 51-55.

3. Синев, М. П. Аппаратно-программный комплекс для анализа результатов документирования радиолокационной информации / Д. В. Пащенко, Д. А. Трокоз, М. П. Синев//Вопросы радиоэлектроники. -2012. -№ 1. - С. 144-153.

4. Синев, М. П. Формализация процедур контроля действий операторов авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения / Д. В. Пащенко, М. П. Синев // Вопросы радиоэлектроники. - 2012. - № 4. - С. 86-97.

5. Синев, М. П. Ограничения, влияющие на поиск решения в экспертных системах анализа постполетной информации / М. П. Синев, Д. В. Пащенко, М. В. Логунов, M. Н. Синева//Радиопромышленность. - 2013. — № 2. - С. 45-52.

Публикации в других изданиях

6. Синев, М. П. Организация документирования информации в сложных авиационных комплексах / Д. В. Пащенко, А. Н. Токарев, М. П. Синев // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. 8-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. — С. 281—290.

7. Синев, М. П. Система настройки диагностики радиолокационных комплексов / Д. В. Пащенко, Д. А. Трокоз, М. П. Синев // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. 8-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. - С. 290-295.

8. Синев, М. П. Проблемы динамического отображения информации в системах объективного контроля радиотехнического комплекса / Д. В. Пащенко, Д. А. Трокоз, М. П. Синев // Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и Защиты информации : сб. науч. тр. - Ульяновск : УлГТУ, 2009. -№ 4. - С. 150-154.

9. Синев, М. П. Реализация стратегий объективного котроля в радиолокационных комплексах / Д. В. Пащенко, М. П. Синев // Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации : сб. науч. тр. -Ульяновск : УлГТУ, 2009. -№ 4. - С. 155-158.

10. Сииев, М. П. Стратегия параллельной обработки массивов данных в системе объективного контроля радиотехнического комплекса радиолокационного дозора и наведения / Д. В. Пащенко, В. А. Мачалин, А. Н. Токарев, Д. А.Трокоз, М. П. Сипев // Радиоэлектронные системы управления. - 2010. - № 4. - С. 48-52.

11. Синев, М. П. Структура диагностической экспертной системы проектируемых авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения / Д. В. Пащенко, М. П. Синев // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. 9-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2010. - С. 155-160.

12. Синев, М. П. Автоматизация управления процессом заправки / М. П. Синев, В. И. Лапшин, Д. А. Левин, М. М. Пинский // Надежность и качество : тр. междунар. симп. -2011. -№ 1. - С. 54-57.

13. Синев, М. П. Моделирование систем управления процессом заправки / М. П. Синев, В. И. Лапшин, Д. А. Левин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп-2011.-№ 1,- С. 307-308.

14. Синев, М. П. Поиск решения в экспертных системах объективного контроля // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. 10-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2011. - С. 185-187.

15. Синев, М. П. Последовательный алгоритм обработки данных при анализе действий операторов // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. 10-й Междунар. науч.-техн. конф. - Пета, 2011. - С. 220-223.

16. Синев, М. П. Свойства систем объективного контроля, применяемых в авиационных комплексах радиолокационного дозора и наведения / М. П. Синев, Д. В. Пащенко // Молодежь. Наука. Инновации : сб. тр. 7-й Междунар. науч.-пракг. конф. [Элеетронный ресурс].-Пенза : РГУИТП, 2013. - URL: http:// rgu-penzaru/mni/content /files/2013_Pashenko, %20Sinev. pdf (дата обращения: 05.11.2013).

17. Синев, M. П. Сравнительный анализ математических аппаратов моделирования реактивных систем / Синев М. П., Гришин Д. С. // Молодежь. Наука. Инновации : сб. тр. 7-й Междунар. науч.-практ. конф. [Электронный ресурс]. - Пенза : РГУИТП, 2013. - URL: http://rgu-penza.ru/mni/content/files/2013_Grishin,%20Sinev.pdf (дата обращения: 05.11.2013).

18. Синев, М. П. Автоматная модель межпоточного обращения к разделяемому ресурсу в алгоритмах объективного контроля / М. П. Синев, М. Н. Синева // Молодежь. Наука. Инновации : сб. тр. 7-й Междунар. науч.-практ. конф. [Электронный ресурс]. -Пенза : РГУИТП, 2013. URL: http://rgu-penza.ru/mni/content/files/2013_Sinev,%20 Sineva.pdf (дата обращения: 05.11.2013).

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

19. Свидетельство № 2009614783 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Программа подготовки форматов данных для наземного комплекса обработки и дешифрирования информации РДПИ.01151-01 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 04.09.2009.

20. Свидетельство № 2011614505 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа подготовки форматов данных для наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (XML_Creator-2) РДПИ.01151-02 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

21. Свидетельство № 2009614786 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Функциональное программное обеспечение наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (мобильной части) РДПИ.01090-01 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 04.09.2009.

22. Свидетельство № 2009614788 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Функциональное программное обеспечение наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (стационарной части) РДПИ.01090-02 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 04.09.2009.

23. Свидетельство № 201161449В об официальной регистрации программы для ЭВМ. Функциональное программное обеспечение наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (мобильной части) РДПИ.01090-03 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

24. Свидетельство № 2011614506 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Функциональное программное обеспечение наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (стационарная часть) РДПИ.01090-04 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

25. Свидетельство № 2011614502 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Специальное программное обеспечение автоматизированного рабочего места для тренировки обучаемого стационарной части процедурного тренажера наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (СПО АРМ ОМ ПТ) РДПИ.01206-01 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

26. Свидетельство № 2011614507 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Специальное программное обеспечение автоматизированного рабочего места для тренировки обучаемого стационарной части процедурного тренажера.наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (СПО АРМ ОС ПТ) РДГГИ.01205-01 / Д. В. Пащенко, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

27. Свидетельство № 2011614501 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Специальное программное обеспечение автоматизированного рабочего места инструктора процедурного тренажера (СПО АРМ И ПТ) РДПИ.01204-01 / Д. В. Пащешсо, М. П. Синев, А. Н. Токарев [и др.]; зарег. в Реестре программ для ЭВМ 07.06.2011.

Научное издание

СИНЕВ Михаил Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗНАНИЙ В ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМАХ АНАЛИЗА ПОСТПОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ АВИАЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

Специальности: 05.13.17 - Теоретические основы информатики 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

Редактор Т. В. Веденеева Технический редактор С. В. Денисова Компьютерная верстка С. В. Денисовой

Распоряжение № 26/2013 от 05.11.2013.

Подписано в печать 14.11.2013. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100. Заказ № 897.

Издательство ПГУ 440026, Пенза, Красная, 40 Тел./факс: (-8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Пензенский государственный университет

На правах рукописи

04201454605

Синев Михаил Петрович

ИССЛЕДОВАНИЕ СРЕДСТВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ЗНАНИЙ В ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМАХ АНАЛИЗА ПОСТПОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ АВИАЦИОННЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ

КОМПЛЕКСОВ

Специальности: 05.13.17 - Теоретические основы информатики; 05.13.15 - Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Пащенко Дмитрий Владимирович

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Вашкевич Николай Петрович

ПЕНЗА 2013

Содержание

Введение...........................................................................................................................4

1 Исследование средств работы со знаниями, применяемых в экспертных системах..........................................................................................................................12

1.1 Особенности экспертных систем наземного объективного контроля авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения............12

1.2 Структура экспертной системы объективного контроля АК РЛДН............20

1.3 Обработка знаний в экспертных системах....................................................24

1.4 Исследование моделей данных и методов работы со знаниями в функционально подобных экспертных системах..........................................26

1.4.1 Применение продукционных правил в диагностических экспертных системах EMYCIN и ASTA......................................................................29

1.4.2 Использование нейро-нечетких гибридных экспертных систем для диагностирования газотурбинных двигателей....................................31

1.4.3 Применение нечеткой логики в оболочке для построения экспертных систем Fuzzy CLIPS..................................................................................32

1.4.4 Использование доски объявлений в экспертной системе оценки

■ ситуаций в области разведки радиообмена противника HANNIBAL. 34

1.5 Выводы по главе...............................i................................................................35

2 Разработка методов и алгоритмов анализа данных для решателя экспертной системы объективного контроля постполетной информации..................................37

2.1 Разработка способа представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы..........................................................................................38

2.2 Метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил.................................................................................................................41

2.3 Разработка алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки...........................................................................................................54

2.4 Выводы по главе................................................................................................61

3 Математическое моделирование анализа данных в экспертных системах объективного контроля постполетной информации.................................................62

3.1 Математические ограничения модели............................................................62

3.2 Выбор математического аппарата...................................................................66

3.3 Разработка с использованием СНДА модели межпоточного взаимодействия для алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием параллельной обработки...........................................................................................................70

3.4 Автоматная модель алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры...............................................................79

3.5 Моделирование алгоритмов анализа данных в экспертных системах объективного контроля.....................................................................................96

3.6 Выводы по главе..............................................................................................102

4 Практическая апробация метода и алгоритмов анализа данных для решателя экспертной системы объективного контроля постполетной информации...........104

4.1 Наземный комплекс обработки и дешифрирования информации.............104

4.2 Натурное моделирование...............................................................................121

4.3 Выводы по главе..............................................................................................125

Заключение...................................................................................................................126

Перечень принятых сокращений...............................................................................128

Список использованных источников........................................................................130

Приложение А. Листинги программ.........................................................................139

Приложение Б. Полученные свидетельства.............................................................141

Приложение В. Полученные акты о внедрении.......................................................150

Введение

Актуальность темы. В настоящее время наблюдается значительный рост исследований и разработок в области авиации. Данные исследования направлены как на создание новых образцов техники, так и на модернизацию старых. Одной из основных проблем, возникающих при испытании и эксплуатации авиационных комплексов, является обеспечение функций контроля процесса эксплуатации. Поэтому в их состав входят средства объективного контроля (СОК), обеспечивающие анализ состояния технических средств комплекса, окружающей обстановки и действий операторов.

До настоящего времени не была разработана экспертная система анализа постполетной информации, задокументированной авиационными комплексами радиолокационного дозора и наведения (АК РЛДН).

Программные средства, базирующиеся на технологии экспертных систем (ЭС), получили значительное распространение в мире. В зарубежных странах проводятся активные исследования и работы по применению прикладной информатики, искусственного интеллекта и ЭС. В частности, в этой области известны работы следующих ученых: Edward Shortliffe, Bruce Buchanan, Stanley N. Cohen, Hector Levesque, Marvin Minsky, William A. Martin, Joel Moses. В России этой проблеме посвящены работы П.О. Сафонова (ВГТУ, Воронеж), В. А. Нагина (МГИЭТ (ТУ), Москва) и других авторов.

Однако использование существующих средств представления и обработки знаний, применяемых в универсальных ЭС, не всегда оправдано вследствие ограничений, связанных со спецификой входных данных и режимов обработки документируемой информации. Усложнение задач, решаемых АК РЛДН, накладывает дополнительные ограничения на систему контроля, вследствие чего возрастает объем, увеличивается сложность и время обработки задокументированных данных. При этом актуальными становятся:

- разработка методов анализа сложной разнородной информации при

решении задач контроля в ЭС объективного контроля постполетной информации

»

авиационных комплексов;

- разработка параллельных алгоритмов анализа данных с целью повышения скорости обработки зарегистрированной информации;

- разработка способа представления разнородных знаний для их обработки машиной логического вывода с использованием параллельных алгоритмов.

Целью научного исследования является разработка научно обоснованных технических решений по повышению оперативности и автоматизации анализа постполетной информации авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения с использованием ЭС объективного контроля.

В связи с поставленной целью возникла необходимость решения новой научно-технической задачи, имеющей существенное значение для экономики и обороноспособности Российской Федерации, а именно разработки метода, моделей и алгоритмов работы решателя экспертных систем объективного контроля авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения (АК РЛДН), которые позволят проводить анализ задокументированной разнотипной информации, используя возможности многоядерной вычислительной архитектуры.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие частные задачи: I

1. Исследование способов представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы объективного контроля постполетной информации.

2. Разработка метода анализа данных о состоянии аппаратуры и действиях операторов авиационных комплексов при выполнении процедур контроля с использованием экспертной информации.

3. Разработка и исследование алгоритмов анализа данных в решателе экспертной системы объективного контроля постполетной информации.

4. Исследование информационных процессов в имитационных и натурных моделях решателя ЭС объективного контроля постполетной информации.

Объектом исследования являются машины логического вывода экспертных систем объективного контроля постполетной информации авиационных комплексов.

Предметом исследования являются средства представления и обработки знаний в ЭС наземного объективного контроля, методы и алгоритмы обработки разнородных данных на основе анализа экспертной информации.

Методы исследования. Для решения поставленной в диссертационной работе задачи анализа данных с использованием интеллектуальных ЭС применялся комплекс математических методов и алгоритмов по формализации исходных данных и интеллектуальному выводу с использованием пополняемой базы знаний. Проведённые в работе исследования базируются на теории множеств, описании системы с использованием предикатов второго порядка и теории диагностических ЭС, а также методах поиска решений в ЭС. На всех этапах исследования применяются элементы математического и натурного моделирования решателя системы объективного контроля с использованием теории событийных недетерминированных автоматов (СНДА).

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил. Он основан на методе контроля действий операторов авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения и отличается возможностью совместной и параллельной обработки информации о действиях операторов и техническом состоянии комплекса.

2. Разработаны алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки, адаптированные для реализации предложенного метода. Отличительной особенностью данных алгоритмов является совместная обработка

постполетной информации по нескольким задачам контроля, что позволяет сократить время анализа путем уменьшения количества обращений к массиву задокументированных данных.

3. Разработана математическая модель последовательного и параллельных алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, основанная на формализации функций взаимоисключения критических участков, предложенной Н.П. Вашкевичем, которая позволяет проводить оценку оперативности выполнения исследуемых алгоритмов. Отличительной особенностью данной модели является возможность исследования зависимости времени работы каждого алгоритмов от структуры и объема входной информации.

4. Предложен способ представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы с использованием объектно-ориентированной и предикатной моделей, что позволяет в отличие от известных способов унифицировать хранение и обработку экспертной информации в единой базе знаний.

Теоретическая значимость исследования обусловлена тем, что произведена формализация процедур объективного контроля, позволяющая автоматизировать процессы обработки и дешифрирования информации о функционировании системы, зарегистрированной устройствами регистрации.

Теоретические расчеты в исследовательской работе произведены на известных и проверяемых данных, в том числе для предельных случаев. Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными и не противоречат результатам научных работ и публикаций других авторов по теме диссертации и в смежных отраслях науки.

Практическая ценность работы связана с архитектурными и функционально-структурными решениями для разрабатываемых систем объективного контроля авиационных радиолокационных комплексов вооруженных сил России, устройств управления заправочными объектами и сходных диагностических систем военного и гражданского назначения:

1. Разработана структура базы знаний экспертной системы объективного контроля, позволяющая вести автоматизированную обработку информации в многоядерной вычислительной среде.

2. Проведено моделирование решателя экспертной системы объективного контроля постполетной информации авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения, позволившее выполнить сравнительный анализ оперативности выполнения последовательного и параллельных алгоритмов контроля действий операторов и состояния аппаратуры.

3. Разработан клиент контроля экспертной системы, позволяющий вести обработку файлов сценариев для последующего создания отчета о проведении процедур контроля, который используется в системе объективного контроля постполетной информации авиационного комплекса А-100 и стендового оборудования для проверки промышленных контроллеров управления объектами заправки.

Определены границы практического применения результатов исследования. Описаны условия, которым должны соответствовать системы, чтобы исследовать их с помощью предложенного в диссертации подхода - это класс систем анализа задокументированной и не изменяемой после регистрации постполетной информации, имеющей временные ограничения на обработку.

Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» (технические науки) по следующим областям исследований:

- п. 4 «Исследование и разработка средств представления знаний. Принципы создания языков представления знаний, в том числе для плохо структурированных предметных областей и слабоструктурированных задач; разработка интегрированных средств представления знаний, средств представления знаний, отражающих динамику процессов, концептуальных и семиотических моделей предметных областей»;

- п. 5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста, устной речи и изображений»;

- п.12 «Разработка математических, логических, семиотических и лингвистических моделей и методов взаимодействия информационных' процессов, в том числе на базе специализированных вычислительных систем»;

- п. 14 «Разработка теоретических основ создания программных систем для новых информационных технологий».

а так же паспорту специальности 05.13.15 «Вычислительные машины, комплексы и компьютерные сети» по следующим областям исследований:

- п. 4 «Разработка научных методов и алгоритмов организации параллельной и распределенной обработки информации, многопроцессорных, многомашинных и специальных вычислительных систем»;

- п. 6 «Разработка научных методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих надежность, контроль и диагностику функционирования вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей».

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры, использующий математический аппарат продукционных правил.

2. Алгоритмы комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием последовательной и параллельной обработки.

3. Математическая модель алгоритмов комплексного контроля действий операторов и состояния аппаратуры с использованием параллельной обработки.

4. Способ представления данных в проверочной базе знаний экспертной системы с использованием объектно-ориентированной и предикатной моделей.

5. Математическое и натурное моделирование подсистемы вывода решения и исследование информационных процессов в экспертной системе.

6. Клиент контроля для экспертной системы, позволяющий вести обработку файлов сценариев для последующего создания отчета о проведении процедуры контроля.

Достоверность научных положений подтверждена результатами экспериментальных исследований, а также практикой разработки, внедрения и эксплуатации диагностических экспертных систем авиационных радиолокационного комплекса А-100, промышленных контроллеров управления объектами заправки.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в Пензенском государственном университете:

- федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (соглашение № 14.В37.21.0597);

- НИР №01201257166 «Развитие теории организации взаимодействия параллельных процессов в распределенных системах обработки данных» за 20122013 г.

Получены 3 акта внедрения результатов диссертационного исследования в следующих опытно-конструкторских работах:

- наземный комплекс обработки и дешифрирования информации для авиационных комплексов А-100 - «ПРЕМЬЕР-НКОД» - ОАО «Концерн «Вега» г. Москва, ОАО «НПП