автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Применение объектно-ориентированных интеллектуальных систем в подготовке специалистов в области химии и химической технологии

РГб од

1 П ДПР 1393

Московский Ордена Трудового Красного Знамени Институт Тонкой Химической Технологии имени М. а Ломоносова

На правах рукописи

Бурляева Елена Валерьевна

УДК 681.3

ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕКТНООРИЕНТИРОВАННЫХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ В ПОДГОТОЕКЕ СПЕЦИАЛИСТОВ В ОБЛАСТИ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

05.13,16 Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

• Т'

М?гква,(Э93

Работа выполнена в Московском институте тонкой химической технологии им. М. Е. Ломоносова

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Корнюшко В. Ф.

Официальные оппонента - доктор физико-математических наук, профессор Карташов Э. 11 кандидат химических наук, доцент Кочурииш ЕЕ.

Ведущая организация - ВЮШХГ

Заилта состоится "__ 1093 г. в _час.

на заседании специализированного совета К. 063.41.02 в Московском институте —тонкой аашческой технологии гад, ы. К Ломоносова по адресу Москва, Проспект Вернадского, 66

О диссертацией можно озншздмиться в библиотека ШИ'ХГ (Москва, Малая Пироговская, 1)

Реферат разослан "_:"_ 1993 г.

Ученый секретарь

-евециаш1вированнбго1 совета кандидат т<усничес1Ч1Е .лаук

Наушнков С. П.

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми

Возрастание требований, предъявляемых к квалификации химика - технолога, а также проблемы, возникающие при передаче знаний в области химии и химической технологии, обусловили устойчивый интерес к программным системам, ориентированным на автоматизированное обучение и подготовку специалистов. Наиболее значительные перспективы связаны с разработкой экспертных обучаюдах систем (ЭОС), обеспечивающих интеграцию методов представления и использования знаний специалистов -экспертов с методами анализа знаний обучаемого. Основной задачей ЭОС является сопоставление рассуждений эксперта при решении конкретной задачи с рассуждениями обучаемого при решении той же задачи. Таким образом, ЭОС формирует стратегию передачи знаний, ориентированную на индивидуальные особенности обучаемого. что позволяет существенно повысить качество профессиональной подготовки специалистов.

Разработка и реализация ЭОС требует применения современных методов приобретения, представления и анализа знаний. Особые проблемы связаны с необходимостью многоаспектного рассмотрения задачи - учета точек зрения как эксперта, так и обучаемого, анализом способа рассуждений обучаемого на основе его ответов на конкретные вопросы, учетом изменений в знаниях обучаемого в ходе обучения. Создание ЭОС связано с разработкой специальных методов описания рассуждений, формированием достаточно выразительной математической модели, реализацией инструментальных средств, ориентированных на полномасштабную поддержку разработки ЭОС. Пр.. этом единообразие методов манипулирования знаниями на всех этапах разработки ЭОС может быть обеспечено за счет единой методики создания и сопровождения ЭОС в рамках единой среды программирования.

В диссертационной работе рассматриваются вопросы, связанные с разработкой моделей, методов г. инструментальных средств для создания и сопровождения программных систем, ориентированных на подготовку специалистов в области химии и химической технологии. Состояние исследований в этой области свидетельствует об актуальности тематики.

Цолью работы является разработка методов. моделей и инструментальных средств для создания ЭОС на основе объектно-ориентированной логики в области химии и химической технологии. В этом плани ставятся и решаются следующие задачи:

- анализ особенностей ЭОС в области химии и химической технологии с точки зрения приобретения и представления знаний: выбор методов приобретения и представления знаний для ЭОС;

- разработка логико-семантической модели приобретения и представления знаний в ЭОС на основе объектного подхода;

- разработка функциональной схемы ЭОС. инструментальных средств создания и сопровождения ЭОС, поддерживающих предложенную логико-семантическую модель;

- реализация и внедрение инструментального комплекса и ЭОС. выполненных на его основе.

Методы исследования

В основу выполненных в ,работе исследований положены методы концептуального моделирования, понимаемого как интеграция систем. ориентированных на знания, систем угг шления базами данных и систем программирования. Экспериментальные исследования и реализации выполнялись с привлечением методов функционального и логического программирования, а также методов реляционных систем. Научная новизна

В диссертационной работе автором получены следующие результаты:

- обосновано применение объектно-ориентированных дедуктивных методов представления знаний для разработки программных систем подготовки специалистов;

- предложена методика создания параметризованных сценариев диалога;

- предложены методы и средства динамической генерации объектов системы программирования;

- предложены методы и средства абстрагирования и детализации объектов системы программирования. Практическая значимость

Практическая значимость полученных в работе результатов заключается в следующем:

- построена динамичная логико-семантическая модель объектов метаданных, ориентированная на ' задачи, возникающие

при создании ЭОС;

- предложен и реализован язык определения и управления объектами метаданных для построенной модели:

- разработан и реализован инструментальный комплекс создания и сопровождения ЭОС и прикладные ЭОС на его основе. Апробация работы

Основные положения работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Новое поколение компьютерных систем и программного обеспечения". Самарканд. 1990. международной научно-практической конференции ИНТЕРПРИБ0Р-90. Москва. 1990, всесоюзном научно-техническом семинаре "Экспертные обучающие системы". Саратов. 1989. постоянно действующем семинаре "Искусственный интеллект" при секции "Прикладная кибернетика" Публикации

Полученные в работе результаты изложены в 10 опубликованных статьях. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования, дана общая ■ характеристика работы.

В первой главе выполнен анализ особенностей разработки программных систем для подготовки специалистов в области химии и химической технологии. Показано, что при подготовке химиков - технологов большое значение следует придавать изучению качественных зависимостей параметров процесса с учетом технологических ограничений. Важную роль играет и изучение количественных характеристик, однако преподавателям приходится часто сталкиваться с ситуацией, когда обучаемый не в состоянии проинтерпретировать и применить заученные формулы. В работе обосновано использование экспертных обучающих систем, основанных на применении методов "искусственного интеллекта" в подготовке специалистов - химиков. Существенными особенностями ЭОС. в отличие от автоматизированных обучающих систем, являются возможность моделирований ситуаций различной степени.

сложности, с которыми придется в будущем ' столкнуться специалисту. а также возможность анализа способа, предложенного обучаемым для разрешения этой ситуации, с целью формирования индивидуальной стратегии обучения. Таким образом, при создании и использовании ЭОС основное внимание уделяется не заучиванию. а применению знаний. Показано. что своевременное выявление и ликвидация пробелов в концептуальных знаниях обучаемых позволяет повысить как скорость, так и качество подготовки специалистов.

В работе проведен анализ методов приобретения и представления знаний, ЭОС. выделены требования, предъявляемые к этим методам при создании и сопровождении ЭОС/ Обоснована перспективность применения объектного подхода на основе фреймовых систем представления знаний.

На основе проведенного анализа методов математического описания процесса приобретения знаний показано, что в качестве основы таких методов могут быть выбраны понятия объекта данных и метаданных (ОД/ОВД). При этом моделирование различных способов рассуждения может быть выполнено средствами формальных логических систем.

Анализ существующих инструментальных средств для разработки ЭОС показал, что в целом ни одно из них- не позволяет систематически учитывать все выделенные особенности процесса приобретения знаний. Поэтому для разработки таких инструментальных . средств рекомендовано использовать дедуктивные среда обработки символьной информации.

Для реализации диалогового взаимодействия с пользователем в ЭОС в работе обоснована возможность разработки интерфейсов, позволяющих эксперту конструировать ЭОС путем последовательной настройки инструментальных средств.

На основе анализа подходов к созданию ЭОС в первой главе сформулирована задача разработки среды программирования как комплекса моделей, средств. и методов, ориентированных на создание и сопровождение ЭОС.

Во второй главе построена логико-семантическая модель приобретения знаний, ориентированная на задачи, возникающие при создании ЭОС. Для построения модели в работе определены аксиоматическая теория и ее интерпретация на основе заданного отображения, преобразующего термы и формулы теории в термы и

формулы интерпретации. Доказаны полнота и корректность теории относительно предложенной интерпретации. Построение теории и интерпретации выполнено с учетом требований, предъявляемых к математическому • описанию приобретения знаний, в частности, неполноты знаний обучаемого и изменения его знаний в процессе обучения, а также поддержки различных точек зрения на задачу. Объекты предложенной модели позволяют описывать понятия и ситуации со сложной структурой, строить иерархии понятий и ситуаций, а также переходить к более детальному рассмотрению понятий и ситуаций. Для поддержания перехода к более абстрактному рассмотрению в работе определены способы перехода от термов интерпретации к термам теории с учетом непротиворечивости.

Построение начинается с определения языковых средств. Термами теории являются ОМД. Язык позволяет задавать объекты двух видов: концепты (для описания понятий) и фреймы (для описания ситуаций). В работе построена алгебра ОМД. служащая формальной основой иерархического описания понятий и ситуаций. Формулы теории описывают взаимное положение двух ОМД в заданной иерархии (рис.1).

На базе разработанных языковых средств сформирована базовая совокупность аксиом и правил вывода. Выбор части аксиом и правил из базовой совокупности задает конкретную аксиоматическую теорию. Поскольку каждая аксиома и каждое правило описывают один из способов рассуждений, используемый при решении задач, фиксация совокупности аксиом и правил позволяет определить аксиоматическую теорию с требуемыми свойствами (рис.2). В работе подробно рассмотрены 2 вложенные о. ;а в другую аксиоматические система, сформулированы и доказаны их осноЕм-ше свойства.

Для учета неполноты знаний обучаемого интерпретация теории ОМД построена в работе не на базе теории множеств, а на базе алгебры п-термов, что позволяет рассматривать возможность пополнения информации .об... объектах. п-терм описывает как положительную, так'и отрицательную информацию об объектах предметной области. В работе показано, что интерпретация ОВД, задающего понятие или ситуацию, представляет собой Ь-терм, описывающий те объекты предметной области, которые подпадают под определение этого понятия. ил1. ситуации. При задэнин

и н д

У

к Ц

и я

АКСИОМАТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

} \ КОНЦЕПТЫ

ФРЕЙМЫ 1 операции алгебры фреймов

простые фреймы

select, project,' ejoin, diff

составные фреймы <

пример: если F1 и F2 - фреймы, то ejoin(Fl,F2) - Фрейм

операция алгебры ОМД

КОНЦЕПТЫ

,-.....V- м ■,

простые концепты

операции

алгебры

концептов

составные концептьк

int. uni on, difc

пример: если С1 и С2 - концепты, то int(Cl,C2) - концепт

ЕЗ

1 Л.

н т Е ва

н>

ьа'

в| бв^ н| raj Q^j

ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

h-термы для концептов

операции алгебры h- тернов

h-ТЕРМЫ ДЛЯ ФРЕЙМОВ

sel h, projh, ejh, difh

h-термы для простых фреймов

h-термы для составных фреймов

G

sub

операция алгебры h-термов

операции алгебры h- термов

h-ТЕРМЫ ДЛЯ КОНЦЕПТОВ

nh.

Uh.

/ь

h-термы для простых концептов

h- термы для составных концептов

Рт-с. 1. Логико-семантическая модель приобретения знаний

СПОСОБЫ РАССУЖДЕНИЯ

АКСИОМЫ И

ПРАВИЛА

ВЫВОДА

ФОРМАЛЬНЫЕ ТЕОРИИ

I определение >верхней I грани >понятий

^определение Жижней (грани >понятий

Iпредположе->ние о полноте знания

достовер-

вяяяйая>НОСТЬ ОТОИ-

цательнои информации

|1пКА.В) > 1БАС А ШИА.В) 1БАС В

А 1БАС > ип1оп(А, В) В 1БАС ипЮп(А. В)

ТЕОРИЯ 1

ТЕОРИЯ 2 ->0

ИЩА. > поМА)) 1БАС В

тоипоКА)) > ¡ЭАС А А 1БАС ШК(ПОЦА)

>0

->0 >Й

а>0

ТЕОРИЯ N

■ Рис. 2. Настройка выразительных возможностей шсиоматической теории на особенности предметной области

отображения термов теории в,термы интерпретации учитывается возможность изменения интерпретации, отражающая изменения в знаниях обучаемого. В работе сформулированы правила изменения интерпретаций ОМД на основе построенных иерархий ОМД.

С целью описания абстрагирования, в работе предложены методы построения иерархий ОМД по заданным совокупностям П-термов. Сформулировано понятие противоречивой совокупности й-термов, предложены методы выявления и разрешения противоречий. Разработаны средства выделения и Фиксации иерархий ОМД с учетом возможности пополнения исходной совокупности 11-термов.

В целом совокупность представленных результатов характеризует математические свойства построенной модели.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой инструментальных средств для создания и сопровождения ЭОС. Сформулированы требования к инструментальным средствам, обуславливаемые необходимостью поддержки разработки зсс на воег. уровнях - от создания интерфейсов пользователя до реализации компактных процедур обработки данных. включая контроль состава и структуры обрабатываемых ОД и ОМД, описания, отладку и модификацию стратегий решения задач, а также генерацию и настройку процедур манипулирования ОД и-ОМД на всех этапах разработки системы.

Требование корректности • реализации инструментального комплекса вызывает необходимость установления и поддержания прямого соответствия между математическими методами и инструментальными средствами проектирования прикладных ЭОС. В работе показано, что для поддержания разработанной во второй главе логико-семантической -модели необходимы средства многоуровневого описания объектов с иерархической структурой, в том числе средства абстрагирования и детализации объектов с учетом неполноты сведений об объекте, средства динамического манипулирования ОД и СМД. в том числе средства генерации ОМД, а также средства управления стратегией обработки ОМД.

С учетом перечисленных требований в работе предложена функциональная схема инструментального комплекса ИСОМ (Интегрированная Сргда Обработки Метаобъектов). приведенная на рис.3. В качестве базовой среды реализации в работе выбрана

СРЕДА ЛОГИЧЕСКОГО ПРОГРАММИРОВАНИЯ_

ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА ОБРАБОТКИ МЕТАОБЪЕКТОВ СЕМАНТИЧЕСКАЯ СЕТЬ НАСТРОЙКИ

определение структуры ОВД

1-

-> генерация I семантической сети

ИНТЕРФЕЙСЫ

- сообщения

- запросы

- меню <-

- помочь

- протоколы

ИНТЕРПРЕТАТОР СЕМАНТИЧЕСКОЙ СЕТИ

[обработка] |управление| (выполнение >диалоговых<—>порядком <—>присоеди-ОМД 1

вычислений!

ненных оцедур

СЕМАНТИЧЕСКАЯ СЕТЬ - ИНТЕРПРЕТАТОР СЕТИ ФРЕЙМОВ

!манипули-| Iозначива-I I подгонка >рование <->ние <->

манипули-I рование <-ОМД I

соотнес.

I

—>определение <0МД

—Модификация <0МД

вычисление <— оценки ОМД I

I-1

->модификация<-

I оценки ОМД I

->обработка -сиерархий «

формирова-<-ние ОМД I

устранение<-противоре-1 чий

модификация 11-терма

определение в-терма

—> ОМД

Ь - термы

—V-V-

СВЯЗЬ С • ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМОЙ

Рис. 3. Функциональная схема комплекса

среда логического программирования,' поскольку ее свойства (ориентация на обработку символьных данных, возможность анализа и генерации термов произвольной структуры, средства рекурсивной обработки, средства управления стратегие.. вывода решения) наиболее близки к свойствам разработанной среды программирования. Диалоговое взаимодействие с пользователем осуществляется через модуль настраиваемых интерфейсов. В качестве базовых интерфейсов выбраны сообщения, запросы и меню, в качестве дополнительных - подсказки и протоколы. Основу ИСОМ составляет интерпретатор семантической сети, обеспечивающий манипулирование объектами семантической сети. С помощью таких объектов осуществляется управление стратегией решения задачи. настройка интерфейсов. параметризация обработки ОМД. Существенно, что объекты семантической сети обладают свойствами расширяемости и самоприменимости, т.е. обработка такого объекта может привести к созданию, •модификации или удалению нескольких других объектов. Совокупность объектов семантической сети образует интерпретатор ОМД. обеспечивающий динамическое определение и манипулирование ОМЛ и точками соотнесения, выполнение означивания ОВД - вычисление и модификацию оценок с учетом иерархий ОМД, подгонку совокупностей ОД с устранением противоречивости этих'. совокупностей, ОМД и их оценки представляются и фиксируются в виде объектов среды логического программирования. В работе показано. что реализация инструментального комплекса на базе предложенной функциональной схемы позволяет обеспечить полномасштабную поддержку разработанной во второй главе логико-семантической модели.

В четвертой главе описана методика применения предложенных инструментальных средств для реализации ЭОС, представлены результаты экспериментальной проверки и внедрения инструментального комплекса и ЭОС. созданных на его основе. Сущность методики состоит.в поэтапной настройке всех составных частей инструментального комплекса. Вначале осуществляется настройка объектов семантической сети и конкретизация процедур приобретения знаний. На следующем этапе выполняется настройка системы обработки ОМД. в результате которой генерируется конкретная совокупность объектов семантической сети. Далее

осуществляется настройка средств манипулирования данными, позволяющая зафиксировать структуру ОМЛ и ОД и определить процедуры динамического вычисления оценок ОМД. В процессе непосредственной эксплуатации ЗСС осуществляется настройка системы ОМД на конкретного обучаемого - генерируются оценки ОМД. соответствующие его представлениям о решаемой задаче.

Разработанная методика. логико-семантическая модель и инструментальные средства были реализованы в прикладных ЭОС по разделам общей и неорганической химии. Система содержит как информационный блок, так и блок упражнений. Основное внимание при создании ЭОС уделено анализу ошибок, допущенных студентом при выполнении упражнений. Основные ОМД системы описывают блок "вопрос-ответ". Ответы на предыдущие вопросы учитываются при выборе следующего вопроса и в резюме, содержащем интегрированную оценку знаний студента в текстовой форме (студент и преподаватель могут просмотреть резюме по окончании сеанса работы). Каждый блок участвует в нескольких иерархиях, т.е. каждый ответ рассматривается ЭОС с нескольких точек зрения. В частности, выделено 2 класса вопросов - вопросы, связанные с анализом качественных зависимостей между параметрами, и вопросы, ориентированные на определение формул и проведение расчетов. Анализ соотношения "количественных" и "качественных" ошибок. выполняемый ЭОС после окончания выполнения упражнений, позволяет выявить направленность знаний студента. Кроме того, каждая тема разделена на ряд подразделоь и каждый вопросно-ответный блок отнесен к одному из этих подразделов Соотношение правильных и ошибочных ответов в рамках одного подраздела позволяет ЭОС выявить "слабые места" в знаниях студента. При анализе результатов выполнения упражнений, наряду с иерархиями основных ОМД, используются дополнительные ОМД. обеспечивающие формировать интегрированной оценки знаний студента в виде отдельных предложений текста резюме, характеризующих знания студента с различных точек зрения. Особенностью, анализа ошибок, выполняемого ЭОС, является учет не только количестьа. но и степени допущенных ошибок. ЭОС по разделу "Протолиз. Сользолиз" прошла экспертизу на кафедре неорганической химии им. М.В.Ломоносова • и МХТИ им. Д.И.Менделеева. Программно-методлческое обеспечение ЭОС передано в ОФАП.

Разработанная ЭОС рекомендована учебно-методическим объединением по образованию в области химической технологии и биотехнологии для использования в учебном процессе в ВУЗах, ведущих подготовку специалистов по группе специальностей "Химическая технология".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. На основе анализа особенностей ЭОС в области химии и химической технологии с •точки зрения приобретения и представления знаний обоснован выбор методов приобретения и представления знаний для ЭОС.

2. На основе анализа требований, предъявляемых к диалоговому взаимодействию с пользователем в ЭОС выполнена ■разработка обобщенных интерфейсов для ЭОС.

3. Определены и исследораны требования к математическим свойствам модели приобретения знаний в ЭОС. Разработана логико-семантическая модель приобретения знаний в ЭОС.

4. Определены и исследованы требования, предъявляемые к инструментальным средствам поддержки разработки ЭОС. С учетом этих требований разработана . функциональная схема инструментального комплекса, обеспечивающая поддержку предложенной'логико-семантической модели.

5. Разработан и реализован комплекс инструментальных средств поддержки создания и сопровождения ЭОС

6. Реализована и внедрена ЭОС по курсу неорганической химии, выполненная на основе инструментального комплекса.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1." Бурляева Е.В. Инструментальные средства диалогового взаимодействия в экспертных системах /Вопросы разработки экспертных систем - М., МИФИ, 1989 - деп. в ВИНИТИ Ы2957-В89

2. Бурляева Е.В. ИССМ: Интегрированная среда обработки метаданных /Материалы семинара "Инженерия Саз данных в новой информационной технологии" - М., МДНТП. 1991. с.45

3. Бурляева E.B. КАЗУС: Концептаульный анализ зависимостей при установлении связей /Материалы семинара "Инженерия баз данных в новой информационной технологии" - Н.. МДНТП. 1991. с. 46

4. Бурляева Е. В., Коршошко В. О. Инструментальные средства диалогового взаимодействия с неподготовленным пользователем /Вопросы вычислительной математики и программного обеспечения ЭВМ - М.. МГУ. 1991 - деп. в ВИНИТИ Н 8620-В91

5. Бурляева Е.В., Гаврилов A.B. Инструментальный комплекс поддержки расширяемых объектов данных на основе реляционно - функциональной среды программирования. /Сборник тезисов докладов научной конференции "Освоение и "онцептуальное проектирование интеллектуальных систем" - м.. 1990. с.62-63

6. Бурляева Е. В.. зинченко К. Е. Анализ противоречий при автоматизированном формировании баз знаний в экспертных системах /Тезисы докладов всесоюзного совещания "Экспертные системы" -М.. 1990, с..78-79

7. Бурляева Е.В., Зинченко К.Е. Принципы моделирования экспертных обучающих систем в аппликативной среде /Сборник тезисов докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Экспертные обучающие системы" - Изд-во Саратовского Гос. Университета, 1989, с.153-156

8. Бурляева Е.В.. Исмаилова Л. Ю., Косиков С.В. Модель расширяемых объектов метаданных на категорной основе. / Сборник тезисов докладов первой международной научно-практической конференции ИНТЕРПРИБ0Р-90 - М..1990 -с.33-34

9. Вольфенгаген В.Э.. Косиков С.В.. Бурляева Е.В.. Горюнова И.А. Программирование систем знаний. Тезисы докладов 6 Всесоюзной . научно-технической школы "Интеллектуальные банки данных - 90" - Тбилиси. 1990 - с.105.

10. Вольфенгаген В.3.. Косиков С.В.. Бурляева Е.В.. Исмаилова Л. Ю.. Гольцева , Л.В. Возможности и средства логико-аппликативной моделирующей базы данных. Сборник трудов научно-технической школы "Новая информационная технология в системотехнике" - М.: .Ради, и связь. 1S90 -с. 69-73.