автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Методы и программные средства когнитивной графики для интеллектуальных систем поддержки принятия решений

(предназначен для описания подфрагментов, на которые разбивается фрагмент изображения j-ой характеристики), параметр дефрагментации определяется следующим образом: Lj = {XjJ \г=1,2, ..., R}, здесь l<i<K; l<j<N; R - количество подфрагментов, на которое разбивается фрагмент изображения рассматриваемой характеристики; Csj - параметр цвета фрагмента изображения,^ который определяется следующим образом: Csj = ( Rj, Gj, Bj ), здесь 0 < Rj < 255 -красная составляющая цвета, 0 < Gj < 255 - зелёная составляющая цвета, О < В} < 255 - синяя составляющая цвета; Tsj - параметр изменения размера (формы) фрагмента изображения, данный параметр определяется следующим образом: Tsj = ( Tsxj, Tsyj, Tszj), здесь -100 < Tsxj < 100 - процентное соотношение сжатия или растяжения фрагмента по горизонтальной оси; -100 < Tsyj < 100 - процентное соотношение сжатия или растяжения фрагмента по вертикальной оси; -100 < Tszj < 100 - процентное соотношение сжатия или растяжения фрагмента по оси глубины; Tpj - параметр изменения местоположения фрагмента изображения, данный параметр имеет следующий вид: Tpj = (Tpxj, TpyJ, Tpzj ), здесь Tpxj - смещение фрагмента изображения по горизонтальной оси; Тру! - смещение фрагмента изображения по вертикальной оси; Tpzj — смещение фрагмента изображения по оси глубины.

Данный формат позволяет формально описывать когнитивные образы следующих разновидностей: статические КО, статические анимационные КО, динамические КО, динамические анимационные КО.

В процессе создания когнитивного образа необходимо определить следующие параметры времени: параметр времени отображения когнитивного образа, параметр времени отображения каждого слайда когнитивного образа, параметр времени отображения каждого облика формируемого слайда когнитивного образа. При формировании когнитивного образа не исключена возможность рассогласования данных параметров времени. Для выявления данных рассогласований был создан метод решения задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа. Формально задача выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа, заданных в формальном описании когнитивного образа, имеет следующий вид: Z = (V, D, В, С, W), где V - конечное множество параметров времени, D - область определения параметров времени, В - конечное множество базовых бинарных отношений, С - конечное множество строгих ограничений, W - конечное множество условий.

Метод выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа состоит из трех этапов. На первом этапе осуществляется построение модели временных процессов, заданных в формальном описании когнитивного образа. На втором этапе осуществляется формирование последовательностей параметров времени, которые были определены в отдельных элементах формального описания рассматриваемого когнитивного образа. На третьем этапе осуществляется выявление рассогласований меэвду сформированными последовательностями параметров времени.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Новоселов Ю.В. Когнитивная графика в системах поддержки принятия решений по анализу расхода тепловой энергии. Ученые записки. Издательство РГСУ. 2007. Т.1. -165 с.101-108.

2. Новоселов Ю.В. Формальная модель когнитивного образа для системы поддержки принятия решений в задаче диагностики объекта. Вестник МЭИ №2

2009, Издательский дом МЭИ. - 213 с.183-187.

3. Вагин В.Н. Новоселов Ю.В. Диагностика блоков атомных станций с применением многоагентного подхода. Программные продукты и системы. Издательство МНИИПУ. 2009 - 208 с. 108-112.

4. Новоселов Ю.В. Разработка и реализация программной среды создания динамических когнитивных образов. //Научно-технические ведомости СПбГПУ №2.

2010, Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета. - 202 с. 112-116.

5. Новоселов Ю.В. Диагностика технологического объекта с использованием фрактального когнитивного образа. //Научно-технические ведомости СПбГПУ №2. 2012, Санкт-Петербург. Издательство Политехнического университета. -184 с. 119-122.

6. Новоселов Ю.В. Применение когнитивной графики в системах поддержки принятия решений в сфере энергоснабжения. Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2005. МЭИ. Т.1. с.348-349.

7. Новоселов Ю.В. Применение когнитивной графики в системах поддержки принятия решений в сфере энергоконтроля. Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». 18-20 октября 2005 г., в 3-х т.т. 12. - М.: Янус-К, 2005. - с. 220 с.35 - 38.

8. Новоселов Ю.В. Когнитивная графика как абстракция в системах поддержки принятия решений в сфере энергоконтроля, Труды десятой национальной конференции по искусственному интеллекту с международным участием КИИ-2006. М: Физматлит 2006, Т. 3, с. 799-806.

9. Новоселов Ю.В. Когнитивная графика в системах поддержки принятия решений в сфере энергоконтроля с применением мультиагентного подхода. // Труды всероссийской научной конференции «Нечеткие системы и мягкие вычисления», НСВМ-2006. - М.: Физматлит, - 2006. с. 337-344.

10. Новоселов Ю.В. Когнитивная графика или метафора в системах поддержки принятия решений в сфере энергоснабжения. Международный форум информатизации МФИ-2006. Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». В 3-х т. Т. 3. -М.: Янус-К, 2006, с. 131-134.

11. Новоселов Ю.В. Решение проблемы энергоконтроля с помощью когнитивной графики. Глобализация: настоящее и будущее России: Материалы VI Международного социального конгресса. 2006. Издательство РГСУ. с. 79-80.

12. Новоселов Ю.В. Применение когнитивной графики в системах поддержки принятия решений в сфере энергоснабжения с использованием мультиагентного подхода. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. 2006. Издательство МЭИ.с.406-407.

13. Новоселов Ю.В. Системы поддержки принятия решений, использующие когнитивную графику в задаче энергоконтроля. Сборник научных трудов. В 17 томах. Т.З. Интеллектуальные системы и технологии. 2007. Т. 3. Издательство МИФИ.с.204-205.

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

На правах рукописи

04201451091

Новоселов Юрий Владимирович

-Л

МЕТОДЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА КОГНИТИВНОЙ ГРАФИКИ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ

РЕШЕНИЙ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель лауреат премии Президента РФ в области образования, доктор технических наук, профессор В.Н. Вагин

Москва-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Сокращения 6

Введение 7

ГЛАВА 1. КОГНИТИВНАЯ ГРАФИКА В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ 16

1.1. Когнитивная графика 16

1.2. Когнитивные образы 17

1.2.1. Когнитивные образы на основе произвольных графических изображений 18

1.2.2. Когнитивные карты 19

1.2.3. Классы задач когнитивной графики 20

1.2.4. Детализация графического изображения при построении когнитивных образов 22

1.3. Применение онтологического подхода для создания формальных механизмов описания когнитивных образов 24

1.4. Среды разработки когнитивных образов 27

1.5. Обзор инструментальных средств разработки когнитивных образов 28

1.6. Применение когнитивных образов в программных продуктах 31

1.7. Применение когнитивных образов для решения практических задач в системах поддержки принятия решений реального времени 35

1.8. Выводы по главе 1 37 ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ФОРМАТА ФОРМАЛЬНОГО ОПИСАНИЯ КОГНИТИВНЫХ ОБРАЗОВ 38 2.1. Этапы разработки формата формального описания когнитивных образов 38

2.1.1. Первый этап разработки формата формального описания когнитивных образов (разновидности когнитивных образов) 38

2.1.2. Второй этап разработки формата формального описания когнитивных образов (создание модифицированного онтологического описания предметной области когнитивной графики) 40

2.1.3. Третий этап разработки формата формального описания когнитивных образов (выявление структурного сходства когнитивных образов различных разновидностей) 44

2.1.4. Четвертый этап разработки формата формального описания когнитивных образов (создание формата формального описания когнитивных образов) 47

2.2. Создание метода решения задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа 50

2.3. Формальное описание задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа 51

2.4. Построение модели временных процессов когнитивного образа на основе конечного автомата Бюхи для решения задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа 59

2.5. Формирование последовательностей параметров времени для решения задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа 63

2.6. Алгоритм решения задачи выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа с использованием конечного автомата Бюхи 66

2.7. Программный модуль выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа 70

2.8. Выводы по главе 2 71 ГЛАВА 3. СОЗДАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ПРОГРАММНОЙ СРЕДЫ РАЗРАБОТКИ КОГНИТИВНЫХ ОБРАЗОВ И СОЗДАНИЕ КОГНИТИВНОГО ОБРАЗА ДЛЯ СППР РВ ДИАГНОСТИКИ СЛОЖНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА 72 3.1 Создание компьютерной программной среды разработки когнитивных образов на основе формата описания когнитивных образов на формальном уровне 72

3.2. Структура разработанной компьютерной программной среды создания когнитивных образов 74

3.3. Принципы формирования когнитивных образов для интерфейса пользователя систем поддержки принятия решений реального времени 77

3.4. Формирование цветового режима когнитивного образа с использованием механизмов нечеткой логики 78

3.5. Принципы создания когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта 83

3.6. Процесс создания когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта 85

3.7. Создание метода-формирования цветового режима когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта 88

3.8. Интерпретация когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта 93

3.9. Метод построения реорганизованного облика когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта 94

3.10. Выводы по главе 3 97 ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ КОГНИТИВНОГО ОБРАЗА ДЛЯ СППР РВ ДИАГНОСТИКИ СЛОЖНОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЪЕКТА НА ПРИМЕРЕ СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ ОБЪЕМА ВОДО-ВОДЯНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РЕАКТОРА (ВВЭР) 99 4.1. Использование компьютерной программной среды создания когнитивных образов при разработке когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема ВВЭР 99 4.2 Программная реализация когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема ВВЭР ЮЗ

4.3. Режимы отображения программно реализованного когнитивного образа для СПГТР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема ВВЭР 107

4.4 Структура программной реализации когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема ВВЭР 111

4.5. Создание блока реорганизации облика когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема ВВЭР 114

4.6. Структура виртуальной модели компенсатора объема 118

4.6.1. Использование нейронной сети для создания блока восстановления значений параметров 121

4.6.2. Использование нейронной сети для создания блока формирования нового состояния системы 126

4.6.3. Формирование выплаты для определения целесообразности выполнения рассмотренного управляющего воздействия 130

4.7. Формирование последовательности управляющих воздействий для перевода системы компенсации объема ВВЭР в штатное состояние с использованием метода подкрепленного обучения 133

4.8. Преимущества модификации алгоритма Q-обучения 136

4.9. Выводы по главе 4 139 Заключение 141 Литература 143 Приложение 156

Сокращения

ИИ - искусственный интеллект,

СГТПР - система поддержки принятия решений,

ИСППР РВ - интеллектуальная система поддержки принятия решений реального времени,

КГ - когнитивная графика,

ГО - графический образ,

КО - когнитивный образ,

ЛПР - лицо, принимающее решение,

АЭС - атомная электростанция,

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор,

РУ - реакторная установка,

КД - компенсатор давления.

ВВЕДЕНИЕ

В диссертационной работе исследованы и реализованы модели, методы и программные средства формального описания и создания когнитивных образов (КО). На основе полученных результатов предложен формат формального описания когнитивных образов, а также разработана и реализована компьютерная программная среда создания когнитивных образов. В качестве примера работы компьютерной программной среды рассматривается разработка когнитивного образа для системы поддержки принятия решений реального времени (СППР РВ) диагностики сложного технологического объекта. Разработанная компьютерная программная среда позволяет создавать статические КО, статические анимационные КО, динамические КО и динамические анимационные КО, сохраняя их в предложенном формате формального описания когнитивных образов. Актуальность темы. Как правило, задачи, для решения которых применяются системы поддержки принятия решений реального времени имеют большое количество параметров, при работе с которыми лицо, принимающее решение, (ЛИР) должно выявить различные закономерности, учитывая эксплуатационные пределы, или построить тренды, тенденции и т.д. В условиях ограниченного ресурса времени решение подобных задач нередко является очень важной проблемой [1]. Например, если ЛПР не сможет своевременно отследить или оценить значения параметров контролируемого объекта управления, который находится в аварийном состоянии, то иногда через несколько секунд может случиться катастрофа. Такими объектами управления могут являться различные транспортные средства передвижения, позволяющие развивать большие скорости. К данным контролируемым объектам управления также относятся сложные технологические объекты, например, атомные электростанции, системы газопроводов или нефтепроводов и т. д. [2]. Деятельность человека,

связанная с контролем и управлением сложным объектом, сопряжена с высокой мыслительной нагрузкой. Принимая решение, он должен учесть множество факторов и предугадать возможные последствия. Поэтому для решения подобных задач особенно в условиях ограниченного ресурса времени в СППР РВ используются когнитивные образы, которые помогают ЛПР мыслить быстрее и эффективнее [3]. Представляемый человеку когнитивный образ должен быть таким, чтобы пробудить так называемое «визуальное» мышление.

Необходимо отметить, что подавляющее количество специалистов разрабатывают когнитивные образы для того, чтобы решить локальные задачи в той предметной области, в которой они проводят свои исследования. К сожалению, процесс разработки данных когнитивных образов отнимает много сил и времени. Это приводит к тому, что после успешного завершения процесса создания когнитивного образа, позволяющего решить поставленную задачу, у специалистов по различным причинам отсутствует интерес, желание или возможности для дальнейших исследований в предметной области когнитивной графики. Перед теми, кто решил непосредственно заниматься задачами из предметной области когнитивной графики стоят важные проблемы, некоторые из них рассмотрены в данной работе. В результате, можно сделать вывод о том, что задача разработки стандартных моделей, методов и программных средств построения когнитивных образов весьма остро стоит перед специалистами. Необходимо создание приемлемых по стоимости, простых и надежных в эксплуатации программных средств, обеспечивающих возможность формирования когнитивных образов в рамках разработанного формата формального описания КО.

Следует отметить, что успешное решение задачи разработки моделей, методов и программных средств создания КО связано с выполнением следующих исследований:

- следует классифицировать когнитивные образы, позволяющие графически представлять информацию различных типов;

- необходимо создать формат формального описания КО;

- следует разработать алгоритм формирования цветового режима графических изображений, входящих в состав разрабатываемых КО;

- необходимо создать алгоритм выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа;

- следует предоставить возможность создания формального описания когнитивных образов в разработанном формате, что позволит программно реализовать когнитивный образ, используя его формальное описание в той программной среде, в которой осуществлялась разработка программного продукта, в состав которого планируется интегрировать рассматриваемый когнитивный образ;

- необходимо разработать и реализовать компьютерную программную среду создания когнитивных образов, которая должна быть высоконадежной и удобной в эксплуатации.

Выполненные исследования опираются на результаты работ в области искусственного интеллекта и когнитивной графики Д.А. Поспелова, A.A. Башлыкова, A.A. Зенкина, И.А. Башмакова, Д.О. Брюхова, В.Н. Вагина, Т.А. Гавриловой, А.П. Еремеева, В.Ф. Хорошевского, A.C. Клещева, М.Р. Когаловского, Ю.Ф. Тельнова, В.И. Задорожного, JI.A Калиниченко., М.Ю. Курошева, С.С. Шумилова, О.П. Кузнецова, О.И. Россеевой, и др., а также зарубежных учёных T.R. Gruber, М. Uslar, J.F. Sowa, P. Warren, V.R. Benjamins, D. Fensel, M.R. Genesereth, R.E. Fikes, A. Tannenbaum, H. Takeda, J. Ambrosio, Т. Wendt, S. Barresi, Y. Rezgui, C. Lima, F. Meziane, M. Ushold, M. Gruninger, G. Van Heijst, A.T. Schreiber, B.J. Wielinga.

Объектом исследования данной работы является разработка моделей и методов построения когнитивных образов, которые используются для создания формального описания когнитивных образов.

Предметом исследования являются когнитивный образ, модели и методы описания когнитивных образов.

Целью работы является исследование и разработка методов и программных средств повышения эффективности процесса построения когнитивных образов. На основе исследований моделей и методов описания когнитивных образов необходимо разработать формат формального описания когнитивных образов, создать компьютерную программную среду разработки когнитивных образов. Следует создать когнитивный образ для помощи ЛПР при диагностике сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема водо-водяного энергетического реактора.

Для достижения указанной цели работы в диссертации требовалось решение следующих основных задач:

- выявление основополагающих принципов представления когнитивных образов на формальном уровне;

- создание формата описания когнитивных образов на формальном уровне;

- создание метода выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа;

- создание когнитивного образа для системы поддержки принятия решений реального времени диагностики сложного технологического объекта;

- создание методов построения цветового режима когнитивного образа и построения реорганизованного облика когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта;

- создание компьютерной программной среды разработки когнитивных образов, которая позволяет сохранять созданные КО в предложенном формате;

- разработка программной реализации когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема водо-водяного энергетического реактора.

Методы исследования. Поставленные задачи решаются с использованием методов когнитивной графики, нечёткой логики, конечных автоматов, нейронных сетей, математического моделирования онтологий предметных областей, мультиагентным подходом с использованием методов подкрепленного обучения, а также методов анализа вычислительной сложности алгоритмов.

Достоверность научных положений. Достоверность научных результатов подтверждена теоретическими выкладками, данными компьютерного моделирования, а также результатами вычислительных экспериментов для разработанной программной компьютерной среды создания когнитивных образов.

Научная новизна. Новые результаты, полученные в работе, заключаются в следующем:

1) предложен формат формального описания когнитивных образов;

2) предложен когнитивный образ для помощи ЛПР при диагностике сложного технологического объекта;

3) разработан метод и алгоритм формирования цветового режима когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта;

4) предложен метод построения реорганизованного облика когнитивного образа для СППР РВ диагностики сложного технологического объекта с использованием мультиагентного подхода;

5) Предложен метод выявления темпорального рассогласования отображения элементов когнитивного образа с использованием механизма конечных автоматов.

Практическая значимость работы заключается в создании компьютерной программной среды разработки когнитивных образов. Данная среда позволяет создавать КО и их формальное описание в предложенном формате. Создан программный модуль выявления рассогласований параметров времени в формальном описании КО, который был интегрирован

в состав разработанной компьютерной программной среды. Создана программная реализация когнитивного образа для СГТГТР РВ диагностики сложного технологического объекта на примере системы компенсации объема водо-водяного энергетического реактора. Выполненные исследования предложенного формата и разработанных программных средств в целом показали их эффективность, обусловленную снижением временных затрат при создании когнитивных образов. Тем самым решена существенная научно-техническая проблема, занимающая важное место в направлении искусственного интеллекта.

Реализация результатов. Результаты диссертационной работы Новоселова Ю.В. использованы в НИР, выполняемых в рамках грантов РФФИ: проект №08-07-00212-а «Исследование и разработка методов и инструментальных средств индуктивного формирования понятий в интеллектуальных системах поддержки принятия решений» (Научный руководитель д.т.н., проф. Вагин В.Н.), проект №05-07-90232 «Исследование и разработка инструментальных средств создания экспертных систем поддержки принятия решений» (Научные руководители д.т.н., проф. Вагин В.Н., д.т.н., проф. Еремеев А.П.).

Созданная компьютерная программная среда разработки когнитивных образов зарегистрирована, что подтверждается свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010610913. Программное средство зарегистрировано в реестре программ �