автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методическое и программное обеспечение процессов выявления и представления знаний в интеллектуальных системах поддержки принятия решений

Смольянинова Валерия Аполлоновна

МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

Специальность: 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 2011г.

2 4 023 20

4854509

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

доктор технических наук, профессор Болотова Людмила Сергеевна доктор технических наук, профессор Данчул Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент Зубарев Игорь Витальевич

Московский физико-технический институт (государственный университет)

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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА.

Автореферат разослан 4 февраля 2011 г.

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

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.131.05 кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Андрианова Елена Гельевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Разработка баз знаний интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР), как и всех систем, основанных на знаниях, является кропотливой, трудоемкой и достаточно творческой деятельностью. Их основу составляют экспертные знания о происходящих процессах и принимаемых решениях в предметной области (ПрО) функционирования ИСППР. Каждая ПрО характеризуется своими особенностями, законами протекания различных процессов, проблемными ситуациями и подходами к их разрешению, критериями выбора решений и оценки их качества. Такие знания носят трудно формализуемый характер, поэтому методы их приобретения, представления и организации логического вывода на них продолжают оставаться важнейшими вопросами при разработке ИСППР. Большая часть этих вопросов решается на этапе системно-концептуального анализа задач функционирования ИСППР и построения модели ПрО. Однако, несмотря на развитый инструментарий, существует очень мало средств проектирования ИСППР, оказывающих методическую поддержку на данном этапе. Чаще всего этот вопрос решается на уровне общих рекомендаций и разнообразных изобразительных средств, что предполагает наличие у инженера по знаниям большого умения и высокого уровня системно-концептуального мышления, гарантирующих хорошее качество полученной базы знаний. Кроме того, как всякий творческий процесс, системно-концептуальный анализ нелегко в достаточной степени алгоритмизировать, чтобы реализовать необходимую автоматизированную поддержку.

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

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

Предмет исследования - методы и формы выявления, структуризации и представления необходимой системы знаний для реализации в системах поддержки принятия решений.

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

Задачи исследования

1. Обзор средств методической и программной поддержки процесса системно-концептуального анализа на этапах выявления, структуризации и пред-

С

ставления знаний для ИСППР в целях определения аюуальных направлений их развития.

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

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

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

5. Разработка информационного обеспечения предложенных методики и программных средств.

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

Методы исследования. В основу диссертационного исследования положены работы: метод ситуационного управления большими системами Поспелова Д.А., Клыкова Ю.И., Болотовой JI.C. (Загадской); метод ситуационного анализа и проектирования моделей ПрО Болотовой JI.C. (Загадской), метод концептуального анализа и проектирования систем организационного управления (Никаноров С.П., Кучкаров З.А.); теория семиотических систем (Шрей-дер Ю.А.); труды отечественных ученых по инженерии знаний и искусственному интеллекту - Гавриловой Т.А., Хорошевского В.Ф., Осипова Г.С., Частиковой А.П., Ларичева О.И., Попова Э.В., Стефанюка B.JI., Финна В.К., Рыбиной Г.В., Шемякина В.И., зарубежных ученых - Осуги С, Уотермана Д., Уэно X., Шенка Р., Адели X., Фишера K.M., Джексона П. и других; теория принятия решений; методология объектно-ориентированного проектирования и программирования (Г. Буч, Т.Бадц).

Научная новизна исследования заключается в расширении метода ситуационного анализа методикой системно-концептуального анализа ПрО задач принятия решений и соответствующей моделью представления знаний. Это позволяет получить программную реализацию единого понятийного пространства задачи и автоматизировать процесс приобретения знаний, а также организовать обработку полученного пространства различными программными модулями с целью проведения логического вывода и преобразования в синтаксические структуры различных языков программирования.

Научные результаты исследования

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Разработана методика системно-концептуального анализа ПрО, позволяющая алгоритмизировать и автоматизировать процесс приобретения экспертных знаний.

2. Предложена формально-логическая модель ПрО задач принятая решений.

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

Практические результаты исследования

Реализована программная система приобретения знаний, осуществляющая как инструментальную, так и методическую поддержку процесса системно-концептуального анализа на этапе проектирования баз знаний и их реализацию с помощью различных моделей представления.

Результаты, выносимые на защиту:

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

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

3. Модель представления понятийного пространства задач принятия решений.

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

5. Примеры практической реализации результатов исследования.

Практическая значимость результатов исследования

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

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

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

и информатика", Зеленоград 2000; IV научно-практическая конференция «Современные информационные технологии в управлении и образовании. Новые возможности и перспективы использования в рамках реализации программы «Электронная Россия»», Москва 2003г; V научно-практическая конференция «Современные информационные технологии в управлении и образовании», Москва 2005г.; IX международная научно-практическая конференция «Системный анализ в проектировании и управлении», Санкт-Петербург 2005г.; V Международная научно-методическая конференция «Дистанционное обучение - образовательная среда XXI века», Минск 2005.; 50-58-ой научно-технические конференции МИРЭА, Москва, 2001-2009 и других.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 3 [13] в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК.

Вклад автора в проведенное исследование. Все теоретические результаты проведенного исследования получены автором самостоятельно. Реализация программных продуктов выполнена с участием студентов и аспирантов МИРЭА.

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

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

В основу предлагаемой методики положено представление концептуальной модели ПрО (КМПрО) в виде системы понятий, связанных между собой различными отношениями. КМПрО рассматривается в качестве первой ступени формализации знаний, связанных с задачами принятия решений в данной ПрО. Анализ и раскрытие содержания этих понятий и является тем

способом приобретения и организации знаний, который позволяет получить достаточно полную и, в то же время, не избыточную модель, необходимую для дальнейшей формализации с целью создания базы знаний.

Определение различных категорий понятий происходит постепенно. Сначала в понятийном пространстве задачи выделяются два множества: 2 -множество имен объектов, явлений или иных любых сущностей, и £> - множество имен возможных в данной предметной области действий (решений) или процессов: 2 = /д/, Ц2, ... £> = {¿¡, ... с!,,}, Ц 2 6 1!, где - имя действия, % - имя объекта, а II—весь универсум понятийного пространства задачи.

Понятия-действия рассматриваются в качестве отправной точки в данной методике, т.к. именно процессы являются основными объектами для задач моделирования, а решения о предпринимаемых действиях - для задач принятия решений. Для каждого <1, из О (г = 1, 2, ...и) в множестве Q выделяется, в первую очередь, два подмножества: 2"Л» содержащее имена объектов, которые могут (умеют) выполнять действие 4, и 2" „ содержащее имена объектов, на которые каким-либо образом направлено действие Это могут быть объекты, непосредственно над которыми совершается данное действие, или объекты, которые отражают его основное содержание. Элементы множества называются субъектами действия с1„ их имена обозначаются через «¡^д,. (к = 1, 2, ...т), а элементы множества 2р4/ называются объектами действия с4 их имена обозначаются через (к = 1, 2, ...т). Для указанных множеств выполняется следующее:

2°''/подмножества 2!"Ь; и 2"А/ одного и того же действия 4 также могут пересекаться, когда какой-либо объект ^ является одновременно и субъектом и объектом действия <& т.е. выполняет данное действие над самим собой:

Имена действий и имена реализующих их субъектов связывает отношение быть субъектом действия, которое можно представить в виде предиката 5иЬ}есЦимя объекта, имя действия) или более кратко БиЪ(дшЬд, с1). Он читается как «Объект с£иЪ ¿является субъектом для действия ф>.

Аналогично, имена действий и имена их объектов действия связывает отношение быть объектом действия, которое можно представить в виде предиката ОЦесЦимя действия, имя объекта) или более кратко ОЬ(с1„ Он читается как «Действие й, имеет объектом действия объект <7°'«».

Кортеж понятий <имя действия, имя объекта действия> описывает задачу действия, т.е. основное назначение данного действия. Для входящих в него понятий имеем:

/¿, = <4, =

Кортеж понятий <имя субъекта действия, задача действия> ставит данную задачу перед определенным субъектом, т.е. дополняет задачу действия

указанием ее исполнителя. Таким образом, он описывает полную задачу действия, которую можно описать соответствующей конъюнкцией:

М = <4u",j, /,> - W 4 q°bik>= Sub(q'uh,p dJ&Obfd,, q°"ik).

Затем для каждого с/, из D в множестве Q выделяется подмножество ffomi, содержащее имена объектов, которые каким-либо образом участвуют в совершении данного действия. Они называются компонентами действия d-,, их имена обозначаются через q°"\h где к - 0, 1, ...т (множество компонентов может быть пустым). Для названных множеств имеем:

Qy"n, n Qc"") * 0, Qmbi п = 0 , Qcomt = 0.

Имена действий и имена их компонентов связывает отношение иметь компонентом действия, которое можно представить в виде предиката Сотро-пеШ(имя действия, имя объекта) или более кратко Com(dh q€omuJ. Он читается как «Действие d, имеет компонентом действия объект qcom,k»-

Кортеж понятий <задача действия, имя компонента действшО расширяет задачу действия указанием средства ее исполнения, т.е. описывает расширение задачи действия, что можно представить следующей конъюнкцией: etd, = <tdh q nm,i> = <di, q°bik, qcom„> = Ob(d„ qr'hik)&Com(d„ qcomit).

Когда компонентов у действия более одного, данный кортеж становится многоместным: <задача действия, имя компонента действия1, имя компонента действия2,..., имя компонента действия\'> (у<=т-2) и описывает полное расширение задачи действия, что можно представить конъюнкцией:

, г _ - » ob „сот „сот „сот -__

etd, - <ан q ik,q ,/, q a,...,q iv>-

Ob(d„ qobik)&Com(di, qcomil)&.Cotn(di, qcomi2)&... &Com(dh qco'"iv).

Кортеж <полная задача действия, полное расширение задачи действия> описывает полную объектную структуру действия: osd,jk = <ftdijk, etdik> = <4ub,j, d;, q°bik, {qcom„}l -; ♦ v> •

Конъюнкция, описывающая данный кортеж, имеет следующий вид: osdi = Sub(qsubij, dJ&Obfa, qobik)&.{Com(d„ qcom^}, где / = / + v.

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

Л = Р(Ч1) = {Pll, Р12, -Ры}, Ri = R(qi) = {гц, rn, ...г„},

Рт = Р(Ят) = {Pmh Рт2, -Pmh}, Rm = Rfam) = {rml, Гт2, ...Г„J.

Аналогично сказанному выше, можно выделить следующие закономерности, отношения и структурные элементы действий, связанные с этими множествами:

Р, и Р2u...u Рт=Р, R,u R2 u...uRn= R, Pin Pj* 0, R, n Rj* 0, Property (имя объекта, имя свойства) (кратко Prop(q/, рф) —

отношение «Объект qt имеет свойство р:р, Rela(ion(uMX объекта, имя отношения) (кратко Rel(qГц)) -

отношение «Объект qt имеет отношение /*,*»>

<имя объекта, имя свойства> —fpy = <q„ p,j> — факт-свойство, psi = <q„ {pij}j=i+n> - структура свойств объекта, pSi= Propfyj,pn)8iProp(qi,рц)& ...&Prop(q„pul) = {Prop(qhp,j)},j=l-hn,

<имя объекта, имя отношения> - fr^ = <qit гц> - факт-отношение, rsi = <q„ {r,k}i,-it,> ~ структура отношений объекта, гц = Rel(qt, nOScRelfo, ri2)& ... ¿¿Rel(q,; rit) = {Rel(qh rik)}, k=l+t,

<структура свойств, структура отношений> -

полная структура объекта, fit = <psh rsi>, или fs, = <q>, {pij}j=i+n, {rik}k=,+t>, fst = {Prop(qi, pij)}&{Rel(qf, rtk)},j=l-h n, k=l+1.

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

Множество ^ = V(P) - множество понятий, соответствующих значениям свойств объектов, т.е. элементов множества Р. Каждое свойство имеет область значений, определяемую его типом и условиями задачи. Для j-го свойства /-го объекта имеем множество значений:

V*V = = i^V -v'W-

Множество К = V(R) - множество понятий, соответствующих значениям отношений объектов, т.е. элементов множества R. Однако в этом случае значением является не одно понятие, а пара <имя объекта отношения значение отношения>, т.к. один и тот же объект (он в этом случае выступает как субъект отношения) может вступать в отношения с любым количеством других объектов (максимум, и - 1, где п - количество элементов в множестве Q), причем может иметь с одним и тем же объектом несколько разноименных отношений. В общем случае, каждое отношение имеет область значений, определяемую его типом и условиями задачи. Таким образом, для k-то отношения /-го объекта (допустим, это отношение с объектом qi) имеем множество значений:

V*ik = V(rik) = {<qh vV, <qi,VRik2>, ...,<qi, VR,ы>}-Можно вьщелить следующие отаошения и структурные элементы действий, связанные с этими множествами:

Уа1ие(гшя свойства, значение свойства) (кратко Val(p,j, vPiji)) -

отношение «.Свойство ру имеет значение v^i», Уа1ие(имя отношения, значение отношения) (Val(rik,

отношение «Отношение гц имеет значение v р

<имя свойства, значение своиства> - vpiji = <p,j, v ¡ß> -

означенное свойство, <имя объекта, означенное свойство>- vfp/ß = <qvp,ji> -

означенный факт-свойство,

v/piß = Prop(q„ pij)& Valfpij, vV, vpSj = <g„ {pij, vFiji}j,i+„> — означенная структура свойств объекта,

vpsi = fProp(qhpij)&Val(p,j, vPijt)},j=l+n, <имя отношения, значение отношения>-\гц±=<г&^Обозначенное отношение, <имя объекта, означенное отногиение> - vfrib = <qh vrikz> -

означенный факт-отношение,

vfr ¡k = Rel(qt, n0& Val (Гц, vRib), vrsi = <q„ {rit, vKiia}il,/t,> - означенная структура отношений объекта,

vrst = {Rel(q„ rik)&Val(ru, vR,k-J}, k=U t, <означенная структура свойств, означенная структура отношений> -vfsj — <vpsh vrsj> - означенной структура объекта, vfsi = {Prop(qi,pij)&Val(pij, vpIJl)}&{Rel(ql, rlk)&Val(r,k, vRik)},j=l+n, k=l+t.

Совокупностью означенных структур объекта, субъекта и компонентов действия можно описать по-отдельности его ситуации предусловия и постусловия. Однако чтобы отразить непосредственное содержание действия, т.е. различие между предусловием и постусловием, необходимо ввести еще отношение, описываемое предикатами NewValue(ww свойства, новое значение свойства) и NewValue(um отношения, новое значение отношения), отражающее изменение значения свойства или отношения в результате выполнения действия. Кратко его можно обозначить как NewVaKpq, х^цы) и NewVal(r,k, \R-,ks). Здесь vPijx и - какие-то новые значения свойства р,у и отношения rik, элементы, соответственно, множества Vеу (v^y е Vе¡¡) и множества v"^ (уЯт е Уц). Читается данный предикат как «Свойство ру имеет новое значение v^yv» и «Отношение Гц имеет новое значение vR,w». Предикат NewValuefnoeoe значение свойства, имя свойства) или NewVal(vPyn, читается, как «v'^v является новым значением свойстваp,j». Предикат NewValue(Hoeoe значение отношения, имя отношения) или NewVaI(vKm г а) читается, как «v\v является новым значением отношения /"«».

С этим отношением связаны следующие структурные элементы:

wvp,y.v = <Pij, v^^ - изменение значения свойства,

nvr,ks ~ <rik, v ¡ks> - изменение значения отношения,

nvfpijN = <q„ Pij, nvpijn>= Prop(q„ p,J& NewVal(pij, vP;jS - изменение

значения факта-свойства, nvfnkN= <q„ r-,k, r>vr,ks>= Rel(qh r,k)& NewVal(rik, vRi№) - изменение

значения факта-отношения, nvpsi = <qh fpij, vPljS}ri+n> = {Propfai, pij)8iNewVal(pij, vpijN)}, j=l+ n -

изменение структуры свойств объекта, nvrsi = <q„ {rik, = {Rel(q„ rik)&NewVal(ra, vRM)}, k=l+t-

изменение структуры отношений объекта,

<изменение структуры свойств, изменение структуры отношений> -nvfsi = <nvpsh nvrsi> - изменение структуры объекта, "ф, = {Prop(q„рфSiNewVal(p,j, vpip)}&.{Rel(qi, rik)&NewVal(rn, vRikN)},

J=I~r n, k=l-rt.

Теперь мы можем разделить ситуации пред- и постусловия действия и определить совокупность всех означенных структур субъекта, объекта и компонентов как условие совершения действия, а совокупность всех изменений структур тех же объектов - как результат совершения действия: condh = cond(d,) = <v//"V v/Л, {vfscmУ,-res„ = res(dh> =<nvfssu\, nvfsobh, {nvfsca\x}x, l+v> Объектная структура действия, его условие и результат описывают теперь полностью содержание действия. Все это вместе составляет концептуальную структуру действия (КСД), представляющую собой кортеж-тройку:

ksdi, = ksd(dt) = < osdi,, cond)„ resh>, что описывается следующей конъюнкцией:

ksdh - Sub(qsubhi, db)&Ob(dh, q°\)8L{Com(dh, qcomJ}& {Prop(qsubh„PiJ&Val(pij, vr,ji)&Neu>Val(p,j, vPiJN)}& {Rel(qm\-„ nO&Valfa, vRib)&NewVal(nk, vRikN)}& {Prop(qobhhPij)&.VaI(Pij, vPiji)&NewVal(p,p vpijN)}& {Rel(q ы, rlk)8cVal(rlk, vRikz)&NewVal(rik, vRikN)}& {{Prop (q"m ы, рф & Val (pij, vPjji) &NewVal (p-,j, v'ljN)}& {Rel(qcoahi, rik)&VaI(nk, vRlkJ&NewVal(nk, vRiks)}}, i = l+m,j=l-rti, k=Ii-t.

С этой точки зрения задача действия tdh = <dh, qobu> представляет собой ядро структуры действия (ЯСД), полная задача ftd, = <qsubi,i, d\, 4°bhi> - ось структуры действия (ОСД), а вся объектная структура osdh - <<fbhi, dh, qobhi, {qcomhi}> - каркас структуры действия (КрСД), «обрастающий» фактами-

свойствами и фактами-отношениями - элементами структуры объектов /¡ы = <Чы, Ш^и», {г1к}к-1+1>, с которыми связано данное действие.

Сказанное иллюстрируется графической схемой, показанной на рис.1.

На основании анализа КСД формируется описание действий, которые необходимо выполнить для создания условий совершения данного действия. Эти действия называются поддействиями данного действия, или его действиями нижнего уровня. Для них строятся свои КСД, раскрывающие их содержание, и так далее до получения действий, которые могут считаться элементарными для данной задачи.

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

В результате получается связанное пространство действий (или решений), которое служит хорошей основой для построения баз знаний в различных моделях представления (продукционной, фреймовой, сетевой, логической).

Рис. ]. Общий вид КСД

Точно так же и множества объектов, их свойств и отношений выделяются строго в соответствии с содержанием действий. Это очень важно не только при разработке баз знаний, но и при программной реализации задач моделирования, особенно на объектно-ориентированных языках программирования.

Таким образом, в КМПрО выделяется 4 множества базовых понятий:

1. Понятия-объекты, характеризующие объекты, явления и события со-

ответствующей предметной области;

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

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

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

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

• совокупность его свойств и характерных признаков, важных для описания объекта с точки зрения решаемой задачи,

• набор различных состояний, в которых объект может находиться в процессе выполнения действий,

• множество отношений данного объекта с другими объектами ПрО, которые существуют постоянно или могут возникать во время исполнения моделируемых процессов,

• описание иерархической взаимосвязи данного понятия-объекта с другими понятиями-объектами задачи, определяющее степень общности данного понятия.

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

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

• указание на субъекты действия, т.е. объекты, которые могут выполнять данное действие;

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

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

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

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

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

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

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

• пространство объектов Q - набор понятий-объектов, описанных через понятия-свойства и понятия-отношения;

• пространство действий (решений) И - набор понятий-действий, возможных в данной ПрО;

• пространство ситуаций (ситуационное пространство) 5 - набор понятий-ситуаций, описывающих состояния различных объектов ПрО в разные моменты времени;

• пространство проблемных ситуаций Лг >У - совокупность понятий-ситуаций, формирующихся в результате возникновения событий-инцидентов, нарушающих нормальное течение моделируемых процессов. В задачах принятия решений являются основным объектом исследования, т.к. требуют специального анализа и принятия решений по их устранению;

• пространство алгоритмов решений А - совокупность понятий-решений, описывающих последовательности действий, необходимых для устранения проблемных ситуаций в данной ПрО и превращения их в ситуации, соответствующие нормальному течению процессов. В содержание понятия-решения входит набор ситуаций, к которым применимо данное решение, и набор составляющих его действий.

На рис. 2 показаны названные пространства и соответствия между ними. Для описания предлагаемой методики концептуализации особенно важно двустороннее отношение ^ между пространством действий и пространством ситуаций. Суть его в том, что ситуации «вызывают», активизируют действия и сами изменяются при выполнении этих действий. В том, что изменилось при переходе от ситуации-предусловия к ситуации-постусловию, и есть содержание действия, описываемого в КМПрО соответствующим понятием из множества £>. Следовательно, анализируя содержание действия, мы можем получить и структуры связанных с ним ситуаций, а затем и объектов, состояние ко-

торых они описывают. Именно поэтому данная методика делает акцент на анализе структур понятий-действий, отражающих процессы и решения данной ПрО.

Методика анализа концептуальных структур действий подразумевает выполнение следующих шагов:

1. Определение действия (процесса), соответствующего постановке задачи (в общем случае таких действий может быть несколько, тогда они анализируются последовательно). КСД, соответствующая этому действию, является

Рис.2. Структура понятийного пространства

корневой схемой, т.е. самой общей (абстрактной), и считается схемой «нулевого» уровня. Построение этой схемы является очень важным моментом методики, так как это показывает, с чего начать, дает отправную точку для проведения системно-концептуального анализа.

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

3. Анализ условий выполнения данного действия и определение на основе этого возможных подцействий данного действия.

4. Последовательный анализ подцействий до получения конечных (элементарных) действий.

Процесс анализа заканчивается, когда не осталось непроанализированных условий и по каждому условию получен четкий ответ о причинах его формирования: выполнение подцействия или на основе данных, поступающих от пользователя.

Содержание каждого понятия представляет собой определенный фрагмент знания о предметной области. Концептуальные структуры понятий позволяют унифицировать эти фрагменты знаний и представить их в виде, подходящем для автоматической обработки с помощью специального программного обеспечения.

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

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

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

Рис, 3. Структура экземпляра класса Понятие-действие

Рис. 4. Структура экземпляра класса Понятие-объект

Преимущества такого представления в том, что оно дает возможность реализовать дальнейший автоматизированный анализ понятийного пространства с целью получения синтаксических конструкций, необходимых для реализации задачи на языках программирования (особенно объектно-ориентированных и логических) или структур, требующихся для построения баз знаний с помощью специальных инструментальных сред разработки, использующих различные модели представления знаний (продукции, предикатные формулы, фреймы, семантические сети, смешанные представления).

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

Рис. 5. Структура экземпляра Рис. 6. Структура экземпляра кчасса Понятие-свойство класса Понятие-отношение

Для формирования ПОМ и работы с ней разработана система приобретения знаний (СПЗ) под названием "Помощник эксперта" ("Помощник"). Ее задачей является автоматизация методики системно-концептуального анализа поведения разрабатываемой ИСППР и максимально возможная автоматизация всех процессов, связанных с обработкой понятийного пространства. Структурная схема системы показана на рис. 7.

Система выполняет следующие функции:

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

• обеспечение доступа к различным классам понятий с целью анализа

ПрО;

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

• формирование базы правил ИСППР на основе анализа понятийного пространства;

• графическое отображение различных фрагментов понятийного пространства в виде соответствующих семантических сетей.

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

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

Рис. 7. Структурная схема системы «Помощник Эксперта»

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

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

Рассматривается задача обработки инцидентов, возникающих в процессе администрирования корпоративных информационных сетей (КИС). Фор-

мирование базы знаний инцидентов осуществляется в процессе анализа событий-инцидентов, проводимого по описанной методике в следующей интерпретации:

• в качестве корневого понятия-действия выступает действие ВЫРАБОТАТЬ РЕКОМЕНДАЦИИ-,

• в качестве понятий-поддействий этого действия выступают: о установить, какое Событие ПРОИЗОШЛО в сети, т.е.

ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ Событие, о ОПРЕДЕЛИТЬ ПРИЧИНУ События,

о выработать рекомендации, как ОБРАБОТАТЬ это Событие, путем моделирования действий Субъекта управления',

• в качестве субъектов действий выступают ИСППР, Администратор сети',

• в качестве объектов действий выступают физические или программные объекты КИС, с которыми происходит данное Событие (Компоненты события)',

• в качестве компонентов события фигурируют физические или программные объекты, входящие в состав КИС, значения свойств или отношений которых свидетельствуют о возникновении инцидента.

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

Рис.8. КСД «ВЫРАБОТАТЬ РЕКОМЕНДАЦИИ»

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

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

Рис.9. КСД«ИДЕНТИФИЦИРОВАТЬ Событие»

Рис. 10. КСД «ОПРЕДЕЛИТЬ ПРИЧИНУ События»

Эти действия являются его поддействиями и включают в свою структуру еще один набор объектов из состава КИС, являющихся компо-

нентами данных действий. Это означает, что значения свойств и отношений этих объектов будут изменяться в процессе обработки события, а часть их войдет в описание результирующей ситуации, соответствующей нормальной работе сети. Возникновение ошибки в работе сети рассматривается как одно из возможных событий. В этом случае действие ОБРАБОТАТЬ Событие превращается также в абстрактное действие ИСПРАВИТЬ Ошибку. Ошибка это тоже абстрактное понятие, но более низкого уровня абстракции, чем Событие.

Рис.11. КСД «ОБРАБОТАТЬ Событие»

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

На основе предложенной методики для данной задачи были реализованы предметно-ориентированный интерфейс для работы с экспертом и подсистема визуализации пространств поддействий и инцидентов, а также была создана онтология процессов обработки инцидентов в КИС.

В главе шестой описаны программные компоненты, реализующие преобразования ПОМ в объектно-ориентированное представление, в представление на языке исчисления высказываний и в структуры языка А§еп18реак для разработки многоагентных систем.

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

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

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

2. Болотова Л.С., Смольянинова В.А., Смирнов С.С. Концептуальное проектирование модели предметной области при помощи программных систем разработки баз знаний для систем поддержки принятия решений, «Радиотехника», Наукоемкие технологии, №8, 2009, т.10, стр. 2836.

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

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

5. Смирнов С.С., Болотова Л.С., Смольянинова В.А. «Организация логического вывода на понятийно-объектной модели предметной области в системах поддержки принятия решений», в межвузовском сборнике научных трудов «Теоретические вопросы вычислительной техники и программного обеспечения», изд. МИРЭА, Москва 2003., стр. 123-133.

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

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

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

Подписано в печать: 03.02.11

Объем: 1,5 усл.п.л. Тираж: 100 экз. Заказ № 775 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526, г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495) 363-78-90; www.reglet.ru

Введение.

Глава 1. Анализ методов и средств концептуализации предметной области и языков представления знаний.

1.1. Системно-концептуальный анализ в процессе проектирования интеллектуальных систем поддержки принятия решений.

1.2.1. Основные свойства концептуальных моделей.

1.2.2. Языки семиотических моделей.

1.2.2.1. Языки традиционной математической логики.

1.2.2.2. Языки сетевого типа.

1.2.2.3. Реляционные языки (языки отношений).

1.3. Языки описания ситуаций.

1.3.1. Язык ситуационного управления.

1.3.2. Синтагматические цепи и ЮС-коды.

1.4. Обзор технологий разработки баз знаний ИСППР.

Глава 2. Описание базовых методов исследования.

2.1. Методология концептуального анализа и проектирования.

2.2. Метод ситуационного управления большими системами.

2.3. Метод ситуационного анализа и проектирования моделей предметной области.

Структурная модель действия.

Глава 3. Методика анализа концептуальных структур действий.

3.1. Концептуальная структура действия.

3.2. Формирование пространства подцействий.

3.3. Структура понятийного пространства предметной области.

3.4. Пример анализа задачи.

Глава 4. Понятийно-объектная модель и система приобретения знаний «Помощник эксперта»

4.1. Представление понятийного пространства предметной области задачи в виде понятийно-объектной модели.

4.1.1. Структура понятийно-объектной модели предметной области.

4.1.2. Использование объектно-ориентированной парадигмы для описания структур понятийно-объектной модели.

4.2. Система приобретения знаний «Помощник эксперта».

4.2.1. Программная реализация понятийно-объектной модели.

4.2.2. Функции системы.

4.2.3. Структура системы.

4.2.3.1. Редактор понятийно-объектной модели.

4.2.3.2. Редактор понятий-действий.

4.2.3.3. Редактор понятий-объектов.

4.2.3.4. Редактор понятий-свойств.

4.2.3.5. Редактор понятий-отношений.

4.2.3.6. Редактор условий.

4.2.3.7. Модуль формирования и исследования ситуационного пространства.

4.2.4. Обобщенный алгоритм функционирования системы.

4.2.5. Обобщенный алгоритм функционирования модуля формирования и исследований ситуационного пространства.

4.3. Программный комплекс «Помощник + Решатель».

4.3.1. Инструментальная экспертная система ситуационного управления "Решатель".

4.3.1.1. Модуль преобразования понятийно-объектной модели.

4.3.1.2. Формализм продукционных правил «Решателя».

4.3.1.3 .Модель ситуации.

4.3.1.4. Логический вывод.

Глава 5. Апробация предложенных методики и средств на примере разработки базы знаний для Системы поддержки администрирования корпоративных информационных систем.

5.1. Теоретические основы концептуального проектирования модели предметной области задачи администрирования.

5.1.1. Нормативная и событийная концептуальные модели предметной области.

5.2. Концептуальный анализ событий-инцидентов в системе поддержки администрирования

5.2.1. Интерпретация методики анализа КСД для задачи администрирования.

5.3. Предметно-ориентированный интерфейс с экспертом в процессе концептуального анализа и проектирования.

5.3.1. Принципы построения интерфейса.

5.3.2. Практическая реализация интерфейса.

5.3.2.1. Структура программы.

5.3.2.2. Основные алгоритмы работы интерфейса.

5.4. Визуализация сетевых отношений в Системе приобретения знаний.

5.4.1. Состав подсистемы визуализации.

5.4.2. Примеры визуализации сетей поддействий.

5.5. Применение методики анализа КСД для построения онтологии предметной области задачи администрирования КИС.

5.5.1. Вопросы проектирования онтологий.

5.5.2. Проекция онтологии с концептуальной модели предметной области.

5.5.3. Методика построения онтологии инцидентов.

Глава б. Преобразование структур ПОМ в различные форматы.

6.1. Построение объектной модели на основе структур ПОМ.

6.1.1. Функции модуля преобразования.

6.1.2. Структура программы.

6.1.2.1. Блок преобразования ПОМ в объектную модель представления знаний.

6.1.2.2 Блок транслитерации идентификаторов.

6.1.2.3 Блок навигации по объектной модели.

6.1.2.4 Блок смысловой замены в объектной модели согласно логике и структуре программного кода.

6.1.3. Описание алгоритмов программы.

6.1.3.1 .Общий алгоритм работы программы.

6.1.3.2. Алгоритм формирования текста результирующего модуля.

6.2. Система моделирования логики высказываний «ЛогикИВ».

6.2.1. Структура системы «ЛогикИВ».

6.2.1.1. Редактор системы аксиом.

6.2.1.2. Редактор атомов исчисления высказываний.

6.2.1.3. Редактор формул исчисления высказываний.

6.2.1.4. Модуль логического вывода.

6.2.5. Алгоритм представления понятийно-объектной модели в структуры исчисления высказываний.

6.3. Применение методики анализа КСД и ПОМ для разработки многоагентных систем.

6.3.1. Интерпретация методики для задачи разработки многоагентных систем.

6.3.2. Алгоритм преобразования структур ПОМ в конструкции языка AgentSpeak.

Главной особенностью интеллектуальных систем поддержки принятия решений (ИСППР), отличающей их от других программных систем, является наличие модели знаний, необходимых для решения поставленных задач, а также механизма рассуждения на этих знаниях. Модель знаний обычно называют базой знаний (БЗ), а механизм, моделирующий логику рассуждений, - механизмом логического вывода. Экспертные системы являются классическим примером ИСППР.

Разработка ИСППР является кропотливой, трудоемкой и в значительной степени творческой деятельностью. Основу баз знаний таких систем чаще всего составляют знания о происходящих процессах и принимаемых решениях в предметной области (ПрО) функционирования ИСППР. Источниками знаний могут быть как непосредственно эксперты, так и тексты, составленные ими. Кроме того, знания могут извлекаться на основе обработки массивов данных и статистических наблюдений, из примеров решения задач и прецедентов рассуждений. В данном исследовании в качестве основного источника знаний рассматривается эксперт.

Каждая ПрО характеризуется своими особенностями, законами протекания различных процессов, проблемными ситуациями и подходами к их разрешению, критериями выбора решений и оценки их качества. Такие знания носят трудно формализуемый характер, поэтому методы их приобретения, представления, преобразования в базу знаний и организации логического вывода на них продолжают оставаться важнейшими вопросами при разработке ИСППР, поскольку от качества решения этих вопросов напрямую зависит качество вырабатываемых рекомендаций. Большая часть этих вопросов решается на этапе системно-концептуального анализа задач создаваемой ИСППР и предметной области ее функционирования. Однако, несмотря на разнообразный инструментарий, существующие средства проектирования ИСППР практически не оказывают методической поддержки на данном этапе, оставляя этот вопрос на уровне общих рекомендаций и предлагая лишь изобразительные средства. Тем не менее, выполнение процессов спецификации задачи, приобретение необходимых экспертных знаний и построение модели ПрО требует от инженера по знаниям большого умения и высокого уровня системно-концептуального мышления. Только тогда можно гарантировать хорошее качество полученной базы знаний и эффективность организованных на ней процессов логического вывода.

Недостаточность автоматизированной методической поддержки этапа системно-концептуального анализа можно считать значительным минусом большинства существующих средств разработки ИСППР, что является существенным сдерживающим фактором при создании больших приложений.

В связи с этим, актуальной задачей является разработка теоретического, методического и программного инструментария, позволяющего расширить функции системы приобретения знаний, входящей в состав многих систем разработки ИСППР, в направлении методической поддержки процессов системно-концептуального анализа и построения концептуальной модели ПрО и их автоматизации.

Таким образом, объектом исследования данной работы являются процессы принятия решений в задачах управления: структура, типы и методы формирования решений.

В качестве предмета исследования выступают методы и формы выявления, структуризации и представления системы знаний, необходимой для работы ИСППР.

Целью исследования м данной диссертационной работе является повышение уровня технологичности процесса разработки баз знаний.

В процессе исследования решались следующие задачи:

О Обзор средств методической и программной поддержки процесса системно-концептуального анализа на этапах выявления, структуризации и представления знаний для ИСППР в целях выявления актуальных направлений их развития.

О Разработка методики системно-концептуального анализа ПрО для задач принятия* решений, позволяющей алгоритмизировать^ автоматизировать процесс приобретения экспертных знаний.

О Разработка модели представления результатов системно-концептуального анализа, позволяющей получить ее программную реализацию.

О Разработка алгоритмического и программного1 обеспечения средств поддержки процесса системно-концептуального анализа на основе предложенных методики и модели.

О Разработка информационного обеспечения предложенных методики и программных средств.

О Исследование применимости методики и программного обеспечения» для конкретных предметных областей.

В основу диссертационного исследования положены следующие работы:

О метод ситуационного управления большими системами Поспелова Д.А., Клыкова Ю.И., Болотовой Л.С. (Загадской);

О метод ситуационного анализа и проектирования моделей ПрО Болотовой Л.С. (Загадской);

О метод концептуального анализа и проектирования систем организационного управления (Никаноров С.П., Кучкаров З.А.);

О теория семиотических систем (Шрейдер Ю.А.);

О методология объектно-ориентированная проектирования и программирования 5

Г.Буч, Т.Бадц).

О труды отечественных ученых по инженерии знаний и искусственному интеллекту — Осипова Г.С., Гавриловой Т.А., Хорошевского В.Ф., Частиковой А.П., Ларичева О.И., Попова Э.В., Стефанюка В.Л., Финна В.К., Рыбиной Г.В., Шемякина В.И.,

О труды зарубежных ученых - Вудса У .А., Осуги С., Уотермана Д., Уэно X., Шенка Р., Адели X., Фишера K.M., Джексона П. и других.

Получены следующие новые научные и практические результаты:

О Разработана методика системно-концептуального анализа ПрО, позволяющая алгоритмизировать и автоматизировать процесс приобретения экспертных знаний.

О Предложена формально-логическая модель ПрО задач принятия решений.

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

О Реализована программная система приобретения знаний, осуществляющая как инструментальную, так и методическую поддержку проектирования баз знаний и их реализацию с помощью различных моделей представления.

Выход.

Алгоритм^ работьгмодулжсоздания структур действий для поддержки администрирования КИС

• Начало работы. Открытие окна приветствия и выбор: начало работы или выход, а также выбор объекта описания: событие или ошибка. Выбор объекта описания будет влиять на выбор создания структуры действия.

• Создание действия «выработать рекомендацию». Создание структуры нулевого уровня: создается экземпляр понятия-действия и "присваивается ему наименование - «выработать рекомендацию». Созданный экземпляр в ПОМ« не сохраняется до тех пор, пока не будет создана вся структура целиком внутри модуля.

• Создание объекта действия «Экспертная система». Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему наименование объекта действия - «Экспертная система», Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле субъекта действия. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание субъекта управления. Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему, наименование субъекта управления, введенное в форму. По умолчанию предлагается наименование «Администратор». Ссылка на созданный объект записывается <в действие, в поле компонента. Наименование созданного субъекта управления добавляется в список субъектов управления для дальнейшего использования. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание объекта управления. Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему наименование объекта управления, введенное в форму. По умолчанию предлагается наименование «КИС». Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле компонента. Наименование созданного объекта управления добавляется в список объектов управления для дальнейшего использования. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ. вается ему, наименование события или ошибки, введенное в форму. Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле объекта. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание свойства «рекомендации». Создается экземпляр понятия-свойства и присваивается ему наименование - «рекомендации». Ссылка на созданное свойство записывается в объект, в поле свойства. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание свойства «обработано» или «исправлена». Создается экземпляр понятия-свойства и присваивается ему наименование — «обработано» или «исправлена», в зависимости от выбора объекта описания, по умолчанию логический флаг свойству ставится «ложь». В объекте действия записывается в поле свойства объекта. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание свойства «причина». Создается экземпляр понятия-свойства и присваивается ему наименование - «причина», а само содержание причин будет записывается в соответствующее поле свойства при создании структуры первого уровня «идентифицировать». Ссылка на созданное свойство записывается в объект, в поле свойства. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание свойства «содержание». Создается экземпляр понятия-свойства и присваивается ему наименование - «содержание». Ссылка на созданное свойство записывается в объект, в поле свойства. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание отношения «произошло с». Создается экземпляр понятия-отношения и присваивается ему наименование - «произошло с», логический флаг отношению ставится «истина». В поле отношения к объекту записывается ссылка на объект управления, а в поле отношение объекта действия ссылка на само отношение. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание отношения «использует». Создается экземпляр понятия-отношения и присваивается ему наименование - «использует», по умолчанию логический флаг отношению ставится «истина». В поле отношения к объекту записывается ссылка на субъект действия «Экспертная система», а в поле отношение субъекта управления ссылка на само отношение. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание отношения «управляет». Создается экземпляр понятия-отношения и присваивается ему наименование - «управляет», логический флаг отношению ставится «истина». В поле отношения к объекту записывается ссылка на объект управления, а в поле отношение субъекта управления ссылка на само отношение. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ. тать рекомендацию» сохраняется в ПОМ.

• Создание действия «идентифицировать». Создание структуры первого уровня: создается экземпляр понятия-действия и присваивается ему наименование - «идентифицировать». Созданный экземпляр в ПОМ не сохраняется до тех пор, пока не будет создана вся структура внутри модуля.

• Добавление субъекта управления в поле субъекта действия «идентифицировать». В поле субъекта действия «идентифицировать», записывается ссылка на уже созданный субъект управления.

• Добавление события или ошибки в поле объект действия «идентифицировать». В поле объекта действия «идентифицировать», записывается ссылка на уже созданное событие или ошибку.

• Добавления содержания в свойство «содержание. Введенное в форму содержание события или ошибки заносится в соответствующее поле свойства «содержание». Изменения сохраняются в ПОМ.

• Создание объекта события. Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему наименование объекта события, введенное в форму. Для удобства ввода предлагается и пополняется список наиболее часто встречаемых в администрировании объектов. Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле компонента. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Добавление содержания в свойства «причина». В соответствующее поле свойства «причина» записывается введенные в форму содержания причин события или ошибки. Изменения сохраняются в ПОМ.

О Если добавлены не все причины события или ошибки, тогда:

Перейти на добавление содержания в свойство «причина»

• Создание компонента необходимого для идентификации события или ошибки.

Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему, введенное в форму, наименование объекта, необходимого для идентификации события или ошибки. Для удобства ввода предлагается и пополняется список наиболее часто встречаемых в администрировании объектов. Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле компонента. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

О Если созданы не все компоненты необходимые для идентификации, тогда:

Перейти на создание компонента необходимого для идентификации события. тифицировать» сохраняется в ПОМ.

• Создание действия «определить причину». Создание структуры первого уровня: создается экземпляр понятия-действия и присваивается ему наименование — «определить причину». Созданный'экземпляр в ПОМ не сохраняется^ до тех пор, пока не будет создана вся структура целиком внутри модуля.

• Добавление субъекта управления в поле субъекта действия «определить причину». В поле субъекта действия «определить причину», записывается ссылка на уже созданный субъект управления.

• г Добавление события или ошибки в поле объекта,действия «определитьтричи-ну». В поле объекта действия «определить причину», записывается ссылка на уже созданное событие.

• Добавление объекта* события в. поле компонента действия «определить причину». В'поле компонента действия «определить причину», записывается ссылка на уже созданный объект события:

• ' Сохранение созданной структуры в ПОМ. Экземпляр понятия-действия? «определить причину» сохраняется в ПОМ.

• Создание действия «обработать» или «исправить». Создание структуры первого уровня: создается экземпляр понятия-действия и присваивается ему наименование - «обработать», если выбран объект описания «событие», или «исправить», если выбран объект описания «ошибка». Созданный экземпляр в ПОМ не сохраняется до тех пор, пока не будет создана вся нулевая структура целиком внутри модуля.

• Добавление субъекта управления в поле субъект действия, действия «обработать» или «исправить». В поле субъекта действия, действия «обработать», записывается ссылка на уже созданный субъект управления.

• Добавление события в поле объекта действия «обработать» или «исправить».

В поле объекта действия «обработать» или «исправить», записывается ссылка на уже созданное событие или ошибку.

• Добавление объекта события в поле компонента действия «обработать» или «исправить». В поле компонента действия «обработать» или «исправить», записывается ссылка на уже созданный объект события.

• Сохранение созданной структуры в ПОМ. Экземпляр понятия-действия «обработать» или «исправить» сохраняется в ПОМ.

• Создание поддействия для действия «обработать». Создание структуры второго уровня: создается экземпляр понятия-действия и присваивается ему, введенное в форму, на

120 именование поддействия, действия «обработать» или «исправить». Созданный экземпляр в ПОМ не сохраняется до тех пор, пока не будет создана вся структура целиком.

• Создание объекта действия. Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему наименование объекта действия, введенное в форму. Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле объекта. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Создание субъекта действия. Создается экземпляр понятия-объекта и присваивается ему наименование субъекта действия, введенное в форму. Ссылка на созданный объект записывается в действие, в поле субъекта. Созданный экземпляр сохраняется в ПОМ.

• Сохранение созданной структуры в ПОМ. Экземпляр понятия-действия сохраняется в ПОМ. Ссылка на экземпляр сохраняется в поле поддействия, действия «обработать».

О Если созданы не все поддействия необходимые для обработки события, тогда:

Перейти к созданию поддействия для действия «обработать» или «исправить».

• Завершение работы.

О Если необходимо поменять объект описания и начать описание еще одной структуры действий, тогда:

Перейти на начало работы.

О Иначе:

Если необходимо добавить еще одно описание события, тогда: ^ Перейти на создание действия «выработать рекомендацию».

Иначе: > Выход.

Описание интерфейса, иллюстрирующее основные принципы ПОИ, приведено в Приложении 4.

5.4. Визуализация сетевых отношений в Системе приобретения знаний

Представление КМПрО в виде ПОМ позволяет реализовать различные полезные функции ее обработки. Одной из таких функций является визуализация различных отношений между понятиями, делающая более наглядной структуру понятийного пространства ПрО. Как и ПОИ, такая визуализация может быть ориентирована на определенный класс задач. С целью визуализации в виде графа отношений, имеющих место между понятиями КМПрО для задачи администрирования КИС, в СПЗ ПЭ была реализован прототип Подсистемы визуализации сетевых отношений (ПСВСО). Важнейшими такими отношениями для СПА являются отношения между понятиями-действиями, приводящие к формированию сети поддействий КМПрО, и отношения между понятиями-объектами, приводящие, в частности, к формированию дискретной сети проблемных ситуаций (инцидентов).

Функционирование ПСВСО происходит на этапе приобретения знаний, что является существенным для повышения эффективности совместной работы эксперта и инженера-когнитолога.

5.4.1. Состав подсистемы визуализации

В соответствии с основными видами сетевых отношений, подлежащих визуализации, в состав ПСВСО входят два модуля:

1. Модуль визуализации сети поддействий. Его назначением является визуализация сети поддействий для выбранных действий. Это очень важная функция, позволяющая наглядно отобразить в виде графа ход выполнения какого-либо решения. Для СПА КИС в качестве таких действий выбраны действия ОБРАБОТАТЬ Событие и ИСПРАВИТЬ Ошибку, описывающие шаги по разрешению каждой ситуации-инцидента, описываемой СПЗ. Модуль позволяет получить как фрагмент решений, связанных с конкретным инцидентом, так и общую сеть поддействий, иллюстрирующую решения по всем описанным инцидентам.

2. Модуль визуализации сети объектов. Его назначением является визуализация сети понятий-объектов, сформированной по требуемому признаку. В-частности, это могут быть иерархические сети или дискретные ситуационные сети (ДСС) по различным проблемным областям. Для СПА КИС такие ДСС строятся на основе анализа понятий типа Событие и Ошибка. Эти понятия могут быть сгруппированы, например, по тем объектам в составе КИС, с которыми они происходят (т.е. по объектам действий ПРОИЗОЙТИ в ПОМ). Таким образом, получается ДСС проблемной области, связанной с данным объектом. Модуль визуализации позволяет также получить полное пространство всех описанных проблемных ситуаций. Визуализация значений свойств объектов Событие и Ошибка, таких, например, как причина, содержание, рекомендации, дает наглядное представление о совокупности инцидентов, описанных на настоящий момент времени в ПОМ.

5.4.2. Примеры визуализации сетей поддействий

На рис. 5.34 - 5.37 представлены примеры функционирования ПСВСО.

На рис. 5.34 показано главное окно СПЗ «Помощник эксперта» с пунктом меню Визуализация, при выборе которого выпадает меню с пунктами для выбора фрагмента для визуализации, после чего открывается окно со списком всех действий обработать или исправить (рис. 5.35).

На рис. 5.36 и 5.37 показаны редактор действия исправить Ошибку Почты, а затем окно с визуализацией пространства решений (поддействий) этого действия.

Помощник же перта

ПОМ Редактор Визуализация ПОМ: загру;*^ Показать Список понятик! определить Причину

Действия "Исправить"

Действия "Обработать идентифицировать исправить произойтиС уменьшить включить деактивировать остановить заменить скачать переустановить Список понятий-свойств г'тгтпу! понятий-объектов

БазаДанных Драйвер Команда МассивДисков Операционая Система ОшибкаБД ОшибкаДисков ОшибкаОбщая ОшибкаПК ОшибкаПочты Список понятий-отношений выключен заменен запущена имя исправлена название окноошибок определяется переустановлен причина рекомендации

Добавить объект

1]

НаходитсяВ ПроизошлаС

Добавить действие

Описание модели

Пространство ситуаций

Рис. 5.34. Вызов функции визуализации из главного окна системы «Помощник Эксперта»

1. З.А. Кучкаров, С.П. Никаноров, Н.К. Никитина Концептуальный анализ и проектирование, М.: МетаСинтез, 2002

2. Т.А. Гаврилова Системы искусственного'интеллекта: разработка баззианийв инструментальной среде КАРРА : учебное пособие / М-во образования Рос. Федерации, С.-Петерб. гос. политехи. Ун-т, Санкт-Петербург: Изд-во СПбГПУ, 2004

3. Литвиненко Ю. В. Разработка систем, основанных на знаниях : учебное пособие / Ю. В. Литвиненко ; ГОУВПО "Воронежский гос. технический ун-т", Воронежский гос. технический» ун-т, 2008

4. Дулин С. К. Структурная согласованность данных и знаний : учеб. Пособие., М. : МЗ Пресс, 2005

5. В. А. Маренко, В. А. ШапцевПредставление знаний в экспертных системах : Учеб. пособие; Департамент образования и науки Ханты-Манс. авт. окр. Сургут, гос. пед. Ин-т, 2002

6. Язык и структуры представления знаний : Сб. науч.-аналит. обзоров / Редкол.: Лузина Л. Г., Стрельцова Г. Д., М.: ИНИОН, 1992

7. Поллак Г. А. Особенности представления знаний в оболочке экспертной системы Crystal: Учеб. пособие / М-во общ. и проф. образования Рос. Федерации. Юж.-Ур. гос. ун-т. Каф. Информатики, Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 1999

8. Сидоркина И. Г. Технология и инструментальные средства представления знаний: учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 230101.65, Йошкар-Ола: Марийский гос. технический ун-т, 2008

9. Гухцин А. Н. Основы представления знаний: учебное пособие / М-во образования и науки Российской Федерации, Балтийский гос. технический ун-т "Военмех", Каф. информ. систем и компьютерных технологий, Санкт-Петербург: БГТУ, 2007

10. Никаноров С.П. Метод концептуального проектирования систем организационного управления и его применение, Научно-практический сборник «Проблемы и решения» № З.изд-во «Концепт», 1995, 3-7 с.

11. Поспелов Д.А. Принципы ситуационного управления. // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. - № 2, 1971.

12. Клыков Ю.И. Ситуационное управление большими системами —М.: Энергия, 1974.

13. Тейз А., Грибомон П., Луи Ж. и др. Логический подход к искусственному интеллекту: от классической логики к логическому программированию М.: Мир, 1990г.

14. Вудс У.А. Основные проблемы представления знаний ТИИЭР, - т. 74, №10.1. МИНОБРНАУКИ РОССИИ

15. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики

16. МЕТОДИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЫЯВЛЕНИЯ И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЗНАНИЙ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ

17. Специальность: 05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей042.01 1 5 4653 "1. На правах рукописи

18. Смольянинова Валерия Аполлоновна