автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка интеллектуального компьютерного комплекса для тренажа и моделирования сложных ситуаций в социо-организационных структурах

,.. — л _

г ; 1) ил 2 Ц КАР 1Я97

На правах рукописи

БЕЛЬКОВ Сергей Александрович

РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ТРЕНАЖА И МОДЕЛИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИТУАЦИЙ В С0ЦИ0-0РГАНИЗАЦИ0НЫХ СТРУКТУРАХ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математических методов и моделирования в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена в Уральском государственном техническом

университете.

Защита состоится " Ю " а-нре^^ 1997 г. в_ч на заседании

специализированного совета N К.063.14.13 Уральского государственного технического университета - УГШ по адресу: 620002, г.Екатеринбург, УГТУ-УПИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ-УПИ.

Автореферат разослан "_" мьртъ 1997 г.

Справки по телефону: (3432)44-84-68.

Ученый секретарь специализированного совета,

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор, академик МАИ С.Л.Гольдштейн.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик МАИ Р.П.Чапцов;

кандидат технических наук, доцент В.И. Суханов. Уральский государственный университет, кафедра экономического моделирования и информатики.,

Ведущая организация

кандидат технических наук

Култышева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Использование традиционных методов проектирования оправдано при разработке тренажеров с небольшим уровнем сложности. Для тренажеров по сложным ситуациям актуальны разработки, основанные на принципах системного подхода, методах системного анализа и системотехники, соответствующей информационно-компьютерной поддержке моделирования, достижениях в области экспертных систем и искусственного интеллекта, способах машинного представления знаний, включая нечеткие технологии. Сказанное обуславливает актуальность создания качественно нового типа систем -интеллектуально-компьютерных комплексов для тренажа и моделирования сложных ситуаций (ИКК ТМСС).

Работа выполнялась в соответствии с Грантом ИНФ-14 по разделу "Информатика" (тема "Создание инструментальной среды системотехнического обслуживания сложных объектов") на период 1992-93 гг.; Программой "Технические университеты" (тема "Внутреннее проектирование инструментальной среды системотехнического обслуживания сложных объектов" на период 1994-95 гг. и "Моделирование и поддержка инструментальной среды системотехнического обслуживания сложных объектов" на период 1995-97 гг.)

Цель диссертационной работы - разработка интеллектуального компьютерного комплекса для тренажа и моделирования сложных ситуаций в социо-организационных структурах.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

- моделирование и исследование системы знаний (СЗ) по сложным ситуациям;

- формализация процесса тренажа;

- моделирование интеллектуального компьютерно-тренажерного комплекса;

- разработка и апробация интеллектуального компьютерно-тренажерного комплекса.

Методы исследования. Проведенные в работе исследования и разработки базируются на использовании достижений системологии, системотехники, теории моделирования, теории управления, информатики, дискретной математики, искусственного интеллекта.

Научная новизна

1. Проведен обзор и анализ литературных источников по сферам применения и уровням реализации тренажеров, специфике способов исследования и моделирования сложных ситуаций, способам представления системных знаний, недостаткам существующих технологий разработки тренажеров.

2. Предложена концептуальная модель системы знаний для сложной сшуации. Синтезированы модели сложного тезауруса и гипертекстового тезауруса системных знаний. Введены доопределения семантического графа и,гиперграфа, их простых и сложных сечений. Определены условия применимости к ним существующих постановок задач оптимизации. Введено понятие гиперграфовой системы.

3. Выявлена проблематика современной образовательной среды, доопределены составляющие процесса компьютерного обучения, предложена кортежная модель тренажа, синтезирована простая рабочая модель образовательной системы.

4. Предложена общая концептуальная модель тренажерного и моделирующего комплекса по основам системологии и системотехники. Разработана базовая модель данных для информационного банка комплекса. Синтезированы функционально-структурные модели простого действующего прототипа ИКК ТМСС.

5. Сформирована, проанализирована и дополнена иерархия технологий разработки тренажеров. Для разрешения сложной ситуации дана формализация проблемы перевода сложного объекта в повое качество (ПНК), разработан алгоритм работы с оболочкой ИКК ТМСС и встроенной в нее системой знаний ПНК.

Практическая ценность и результаты реализации

1. Предложен способ построения тезауруса системных знаний, необходимый при непосредственной практической разработке ИКК ТМСС.

2. Разработана технология создания ИКК ТМСС, позволяющая объединить возможности гипертекстовых, мультимедийных и интеллектуальных систем. Дан анализ вариантов реализации ИКК ТМСС и определена структура его программного обеспечения.

3. Разработаны следующие программные оболочки и тренажерные комплексы:

- многотерминальная тестирующая оболочка для проведения психологических опросов на базе комплекса "Диалог", которая используется в учебном процессе сотрудниками Центра технических средств технологий обучения и кафедрой психологии УГТУ;

электронный учебник "Введение в системолоппо и системотехнику", используемый кафедрой вычислительной техники для подготовки студентов физико-технического факультета по специальности 22.01 и учителей в Институте развития регионального образования;

- системные интеллектуальные подсказчики для УВД г. Екатеринбурга;

учебники-экзаменаторы-тренажеры для патрульно-постовой службы УВД г. Екатеринбурга и по правилам дорожного движения для ГАИ;

- первая версия (действующий прототип) ИКК ТМСС со встроенной в него системой знаний ПНК, используемая в образовании

(Политехническая гимназия г. Нижнего Тагила) и здравоохранении (Медицинский республиканский научно-практический центр "Бонум").

На защиту выносятся:

1. Концептуальная модель представления системы знаний, модели сложного тезауруса и гипертекстового тезауруса системных знаний, структурные модели для решения оптимизационных задач на семантических графах и гиперграфах, алгоритм (способ) построения системы знаний.

2. Результаты моделирования процесса тренажа: компоненты современной образовательной среды, составляющие процесса компьютерного обучения и тренажа.

3. Результаты моделирования ИКК ТМСС: общая концепция тренажерного и моделирующего комплекса по основам системологии и системотехники, базовая модель данных для информационного банка комплекса, функционально-структурные модели простейшего прототипа ИКК ТМСС, формализация проблемы перевода сложного объекта в новое качество.

4. Результаты традиционного проектирования ИКК ТМСС: расширенная иерархия технологий разработки тренажерных и моделирующих комплексов, вариант реализации ИКК ТМСС, структура программного обеспечения, компоненты и возможности первой версии оболочки ИКК ТМСС. Результат апробации первой версии ИКК ТМСС -алгоритм работы с оболочкой ИКК ТМСС и системой знаний ПНК.

Апробапия работы. Результаты исследований и разработок были представлены и обсуждены на научной конференции "Методы разработки и применения САПР электронно-вычислительной аппаратуры" (Свердловск, 1989); на Втором Всесоюзном совещании по автоматизированному проектированию программного обеспечения систем управления (Харьков, 1989); на научно-практическом семинаре "Технические средства и информационные технологии в образовании"

(Челябинск, 1993); на Республиканской научно-практической конференции "Региональные проблемы информатизации образования" (Пермь, 1993); на научно-практической конференции "Информатизация образования" (Екатеринбург, 1994); на Уральской региональной конференции по искусственному интеллекту (Екатеринбург, 1994); на 1-й региональной конференции "Интеллектуальные информационные технологии и стратегии в системной информатизации Уральского региона" (Челябинск, 1994); на презентациях "Системные интеллектуальные подсказчики по переводу организационно-управ-. ленческих структур в новое качество" (Екатеринбург, 1995); на межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1995); на международной конференции "Образовательные стандарты и развитие личности" (Омск, 1995); на Всесоюзной конференции "Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур" (Екатеринбург, 1996); на международной конференции Е\УНС1-96 по человеко-машинным интерфейсам (Москва, 1996).

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 23 научных работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 205 наименований. Общий объем работы - 159 стр., из них - 137 стр. основного текста, 24 стр. с рисунками и таблицами.

Введенные и используемые сокращения и определения:

1. ИКК ТМСС - интеллектуальный компьютерный комплекс для тренажа и моделирования сложных ситуаций.

2. ПНК - процесс перевода сложного объекта в новое качество,-

3. Семантический граф (гиперграф) - граф (гиперграф), ребра которого имеют имя или несут иную семантическую нагрузку и могут использоваться для отображения семантических или фреймовых сетей.

4. Тезаурус (Т):

Т = < СБ , УО , КЛ > , (1)

где СБ - информационно-смысловые блоки, включающие в себя лексико-семантический список дескрипторов и их варианты (алфавитная часть тезауруса) и имеющие, в общем случае, произвольную природу (вербальный текст, графика, звук и прочее) и структуру; УО - указатель отношений между СБ; КЛ - правила перевода ключевых слов естественного языка на дескрипторный информационно-поисковый язык.

5. СЗ - система знаний, как обобщенный случай тезауруса:

СЗ = < С , П >, (2)

где С и П-системный и понятийный аспекты соответственно.

С = < МПС , СПС , ИЗБ >, (3)

где МПС - множество подсистем; СПС - связи подсистем;

ИЗБ - избыточный эффект.

П = < СИН , СЕМ, ПРГ >, (4) •

где СИН - синтаксис, включающий лексическую (правила выделения ключевых слов) и структурную (разбиение на уровни) составляющие; СЕМ - семантика (содержательное наполнение); ПРГ -прагматика (сферы использования) системы понятий.

6. СС - сложная ситуация.

7. Тренаж - процесс целенаправленного формирования у обучаемого определенных умений и навыков.

8. ТМК - тренажерно-моделирующий комплекс, включающий, как минимум, средства компьютерного тренажа и систему знаний для под держки моделирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбранной темы.

В первой главе в результате компилятивного обзора литературных источников представлены классификации сфер применения тренажеров, показана неоднородность свойств тренажеров с точки зрения различных категорий пользователей, выявлено несколько качественно различных уровней реализации тренажеров. Представлена специфика способов исследования и моделирования сложных ситуаций. Проанализированы известные способы представления системных знаний посредством графов, семантических сетей и сетей фреймов, перечислены возможности . гипертекстового и мультимедийного представления знаний. Определены цели и задачи работы.

Во второй главе представлены результаты исследования и моделирования систем знаний по сложным ситуациям.

Синтаксис системы знаний (ССЗ) о сложном объекте определяется следующим образом:

ССЗ = < { Ь }, Р; И. > , (5) :

где { Ь } - множество уровней (слоев) представления знаний; Р -правила взаимодействия слоев знаний, связанные с наследованием характеристик верхних уровней и др.; Я - связи уровней.

Для отдельного уровня сложного тезауруса (ТЕЗУ) имеем: ТЕЗУ = < ТКЛ, ЭКЛ; СКЛ > , (6)

где ТКЛ - множество базовых типов классов, используемых при определении данного уровня тезауруса; ЭКЛ - множество экземпляров классов, определяющих данный уровень рассмотрения предметной области; СКЛ - связи между классами данного уровня тезауруса, представляемые простыми ссылками, отношениями или классами.

В практической реализации сложный тезаурус представляется, тремя основными уровнями: макро-, мезо- и микротезаурусами.

Тезаурус системных знаний (ТСЗ) представляли кортежем: I ТСЗ = < СП, ФПЗ, СЗ, МИП, ПИ; Ш > , (7)

где СП - специфика имеющихся системных знаний; ФПЗ - форма (способ) представления системных знаний; СЗ - содержательное наполнение системных знаний, в котором выделяются статическая (неизменяемая пользователем часть) - крупные системотехнические процедуры и т.п. и динамическая (изменяемая пользователем) часть; МИП - механизмы извлечения и пополнения (преобразования) знаний, включая машину вывода; ПИ - пользовательский интерфейс; R1 -механизмы взаимосвязи между элементами ТСЗ.

Формы представления системных знаний предполагают объединение трех разнородных структур:

ФПЗ = < УС, ИПТ, ГБ ; R2 > , (8)

где УС - основные управляющие структуры, представленные посредством семантической сети или семантического графа (в более простом случае посредством обычного графа, дерева или системы иерархического меню); ИПТ - информационно-поисковые тезаурусы, т.е. собственные диалоговые или описательные структуры (шаблоны), используемые для ввода новых знаний, фактов и значений, а также содержащие какие-либо пояснения или описания (вспомогательные и справочные данные); ГБ - гипертекстовые блоки знаний, которые содержат более подробные гипертекстовые описания отдельных предметных областей (включая видео- и аудиофрагменты); R2 - способы взаимодействия между собой различных форм представления знаний.

Гипертекстовый блок знаний (в простейшем случае представляется в виде файла помощи MS WINDOWS или документа сети WWW) предполагает следующую структуру:

ГБ = < ГТ, ММ, ГР, ГЛВ, ГПИ; R4 >, (9)

где ГТ - собственно гипертекстовое представление знаний; ММ -мультимедийные вставки (видео- и аудиофрагменты), подгружаемые в гипертекстовые структуры; ГР - изоморфный гипертексту граф из ключевых слов и соответствующая ему система баз данных; ГЛВ -

реализованные для гипертекста (изоморфного ему графа ключевых слов) средства логического вывода, влияющие на порядок просмотра гипертекстовых страниц; ГПИ - средства пользовательского интерфейса для просмотра гипертекстовых страниц; R4 - способ организации связей между гипертекстовыми блоками.

При решении задач обработки структур ТСЗ, имеющих гиперграфовую природу, введено также понятие гиперграфовой системы (TTC), определяемой следующим образом:

ITC = < СГТ, СУ, ИЭ, МД>, (10)

где СГТ - структура гиперграфа, используемого при описании и решении задачи; СУ - средства управления (операции), определенные для отдельных элементов гиперграфовой структуры; ИЭ - количество, виды и возможности исполнительных элементов, что позволяет учесть возможность многопроцессорной обработки; МД - механизмы • диспетчеризации и распараллеливания работ с учетом многоуровневое™ гиперграфа и ограничений на вершины и связи.

Алгоритм (способ) построения системы знаний представлен на рис. 1 и 2.

В третьей главе приведены результаты формализации процесса тренажа. Дана рабочая модель образовательной составляющей ИКК ТМСС. Для надсистемы, в которой функционирует ИКК ТМСС, определена проблематика современной образовательной среды. Доопределены составляющие процесса компьютерного обучения, предложена кортежная модель тренажа. В качестве примера анализа инфосырья подробно рассмотрена струиура лекционной информации. В . рамках теории компьютерного обучения выполнен анализ основных характеристик обучаемого, определены требования к его умениям и навыкам.

Рис. 1. Алгоритм (способ) построения системы знаний: 2 - исходные данные; 3 - первоначальная постановка цели, требования к системе знаний; 4 - подготовка инфосырья; 5 - поиск источников информации, выбор и просмотр литературы, классификация и отбор; 6 -предварительная формализация; 7 - список необходимых предметных областей; 8 - системное проектирование; 9 - анализ аналогов (реальное состояние), желаемое состояние, глобальная и локальная цели, используемые модели и методы; 10 - итоги удовлетворительны? ; 11 -выбор рабочей модели представления знаний; 12 - построение сложного тезауруса; 13 - реализация первой версии ИКК ТМСС; 14 - реализация комплекса, ввод системных знаний, ввод примера; 15 - апробация успешна? ; 16 - составление рабочей документации и компьютерных подсказок по работе с системой знаний; 17 - система знаний, компьютерные подсказки по работе с системой знаний, рабочая документация

Рис. 2. Алгоритм блока 12 на рис. 1 (построение сложного тезауруса): 2 - входная информация; 3 - список предметных областей (ПО); 4 -формирование предварительной иерархии ПО; 5 - определение множества основных понятий для каждой ПО; 6 - определение базовых классов для объектов и отношений ПО, распределение объектов и отношений по базовым классам; 7 - уточнение связей между ПО; 8 - распределение ПО по уровням; 9 - результаты удовлетворительны? ; 10 - определение форм представления отдельных частей тезауруса; 11 - определение механизмов представления знаний; 12 - определение возможностей пользовательского интерфейса; 13 - результаты удовлетворительны? ; 14 - сложный тезаурус

Проблематика (ПР) современной образовательной среды (с точки зрения функционирования в ней ИКК ТМСС) представлена кортежем: ПР = < ЦА, ДА, ОА, КА, ФА, ПА> , (11)

где ЦА - целевой; ДА - дидактический; ОА - организационный; КА -компьютерный; ФА - коммерческий (финансовый); ПА производственный аспекты соответственно.

В рамках целевого аспекта выделены следующие компоненты:

ЦА = < ФС, ИС, СВС, М, КАЧ, СПР > , (12) где ФС - фактическое состояние наработок по данной проблеме; ИС -идеальное (желаемое) состояние; СВС - свойства окружающей образовательной среды; М - мотивации разработчиков, включая соответствующие потребности, стимулы, интересы и противоречия; КАЧ -параметры качества, определяющие требования к уровню сложности создаваемого или применяемого ИКК ТМСС; СПР - существующие и возможные (предполагаемые) способы решения проблемы, включая аналоги и прототип.

Теория компьютерного обучения (ТКО) включает в себя следующие элементы:

ТКО = < Д, МПО, КИБ, СР, ВКТ, 115 > , (13) . где Д - дидактическая составляющая, т.е. современные педагогические технологии; МПО - модели процесса обучения; КИБ -кибернетические науки, включая теорию управления, системологию и системотехнику; СР - социальные, организационные и экономические условия образовательной среды; ВКТ - возможности компьютерной техники с точки зрения их использования в учебном процессе; Я5 -взаимосвязи элементов ТКО.

Среди моделей процесса обучения тренаж представляется кортежем:

ТР = <УН1 ,УН2,СПО,СПТ>, (14)

где УН1 - исходные умения и навыки обучаемого; УН2 - умения и навыки, которые необходимо сформировать в процессе тренажа;

СПО - способности обучаемого; СПТ - способы тренажа (детерминированный или игровой, с контролем или самоконтролем и т.д.).

Рабочая модель образовательной системы (МОС) имеет следующие составляющие:

МОС = <ИЗ,ОБ,СО,ЦО,116>, (15)

где ИЗ - исходные источники знаний; ОБ - обучаемый субъект, которому необходимо передать требуемые знания, сформировать необходимые умения и навыки; СО - система обучения и тренажа (подходы, алгоритмы и методики); ЦО - цели обучения (передаваемые субъекту знания, умения и навыки); 116 - информационные потоки между компонентами МОС.

Система обучения и тренажа содержит: методики преподавания и тренажа; формы представления и подачи информации; систему автоматизации обучения. В качестве системы автоматизации обучения предложен ИКК ТМСС.

В четвертой главе осуществлено моделирование ИКК ТМСС. В результате определена общая структура интеллектуального тренажерного и моделирующего комплекса (ТМК) по основам системологии и системотехники (рис. 3), в которой СРЗ - средства работы со структурами знаний; СО - средства общения (СД, СК, СЦ -соответственно средства диалога, контроля вводимых знаний, создания и реализации стратегии взаимодействия с пользователем); СОД - .система объяснения действий интерфейса; ОР - средства обучения работе с системой; {ВИ} - множество вложенных интерфейсов.

Предложена структура интерфейса обучающегося (рис. 4), которая включает средства диалога (5), контроля (1), подсказки (8) и локализации знаний в ядре ТМК (4), блоки: объяснения (2), реализации стратегии (3), оценки уровня знаний (6) и выбора стратегии обучения (7), модели уровней знаний обучаемого (9) и стратегии обучения (10), а также базу знаний (11) интерфейса.

ТГОЛЬ ЗОВАТ ЕЛЬ СКАЯ ОБОЛОЧКА

Модели

пользователя

Интеллектуальные интерфейсы

СРЗ

СД

СО СК

СЦ

СОД

ОР

<ВИ>

ДИДАКТИЧЕСКАЯ ОБОЛОЧКА

СОДЕРЖАТЕЛЬНОЕ ЯДРО КАК РАБОЧИМ ИНСТРУМЕНТ СИСТЕМОТЕХНИКА

Модель системо-логичеоких знаний

Модель системотехнических знаний

Модель компьютерно-информационных знаний

Рис. 3. Структура компьютерного тренажерно-моделирующего комплекса по основам системологии и системотехники

Рис. 4. Структура интерфейса обучающегося

Настройка ИКК ТМСС проведена под проблему перевода сложного объекта в новое качество, которая в общем виде определяется так:

А(О) => В(О); А(0), В(О) с S(O); (16)

О е К(О); S(O) с K(S), где О - сложный объект; S(O) - множество возможных состояний объекта; А(О) - состояние объекта до' перевода (реальное состояние);' В(О) - состояние объекта после перевода (желаемое или реально достижимое); К(О) - класс объектов; K(S) - класс состояний. При этом любое из состояний объекта S(O) включает:

S(O) = < PR(S), PR(0) >, (17)

где PR(S) - параметры состояния объекта;

PR(O) - параметры самого объекта. В качестве параметров состояния или самого объекта могут выступать структура, набор свойств, количественные значения или ограничения и т.п.

Каждое из множеств параметров PR(S) или PR(O) представляется парой:

<11,Ь>, (18)

где Ii - иерархия параметров класса, к которому принадлежит данное состояние или данный объект; Ь - иерархия параметров самого состояния или объекта.

На нижнем уровне любой из этих иерархий имеем множество отдельных (зависимых или независимых) параметров, т.е.

{Pi,P2.....Рп}, (19)

где п - количество отдельных параметров для одного из нижних слоев в иерархии параметров.

Таким образом, под изменением качества объекта понимается: 1) изменение класса, к которому принадлежит данный объект или его • состояние:

(К'(О) => К"(0)) v (K'(S) => K"(S)) ; (20)

2) изменение иерархии параметров класса состояний объекта или самого состояния:

(Ii'(S) => Ii"(S)) V (I2'(S) I2"(S) ) ; (21)

3) изменение иерархии параметров класса объекта или самого объекта:

(Ii'(O) => li"(0)) v (l2'(0) =i> Ь"(0)) ; (22)

4) изменение состава отдельных параметров состояния или самого объекта на нижних уровнях иерархии параметров:

{ Pi, Р2 ,... ,Pni} => { Pi, Р2 ,..., Рш }, (23)

где ni, ш - количество параметров состояния или самого объекта до и после перевода в новое качество;

5) изменение количественных показателей хотя бы одного из параметров объекта такое, что объект переходит в качественно иное состояние:

( Pi' => Pj": S'(O) => S"(0) ) t (24)

Перевод сложного объекта в новое качество часто осуществляется при помощи системных (в общем случае нематематических или метаматематических) методов, что позволяет говорить о целесообразности присутствия в ИКК ТМСС системы знаний ПНК, содержащей необходимые для перевода системные подсказки, алгоритмы и методы.

Сочетание средств компьютерной оболочки ИКК ТМСС со встроенной в него системой знаний ПНК дает пользователю инструмент . для формализации его предметных областей и проектирования им собственных систем знаний.

В качестве базовой модели представления знаний предложена сеть элементов, которая структурно близка к семантической сети. Элементы сети могут играть роль отдельных понятий предметной области и связываются между собой бинарными отношениями (связями), имена и

характеристики которых зависят от разбиваемых на элементы структур (фреймов).

Определены функционйльно-структурные модели для основных составляющих простейшего прототипа ИКК ТМСС.

В пятой главе рассмотрены решения, касающиеся разработки и реализации ИКК ТМСС.

Сложную ситуацию (СС) моделировали как четверку:

СС = < О , С , ПР, Н > , (25)

где О - множество взаимодействующих между собой объектов, процессов и явлений; С - множество состояний, присущих данной ситуации; ПР - правила перехода из состояния в состояние с учетом начальных или текущих состояний и обстоятельств; Н - общая направленность (тенденция или цель) взаимодействия объектов, процессов или явлений, вызванная влиянием предсказуемых (изученных) или непредсказуемых (неизученных) факторов.

Каждый объект, процесс или явление характеризовали кортежем:

0 = <П,В,Ц,МС,ВЗ>, (26)

где П - множество основных параметров (свойств) объекта; В - возможности объекта, т.е. действия и функции, которые он может . реализовать с учетом своих свойств и текущих обстоятельств (способа, места, времени действия и т.д.); Ц - множество целей объекта с указанием связанных с ними причин и обстоятельств; МС - множество состояний объекта; ВЗ - способы взаимодействия (связи) с другими объектами.

Из определений (16) и (25) следует, что для поддержки правил перевода сложного объекта в новое состояние целесообразна разработка соответствующей инструментальной среды, а именно ИКК ТМСС. Для решения этой задачи построена расширенная иерархия технологий разработки тренажерных и моделирующих комплексов, предложены и • проанализированы основные варианты реализации компьютерной оболочки для представления гипертекстового тезауруса.

Сделан вывод о том, что структура средств для обработки знаний, представленных посредством графовых моделей, должна иметь не менее трех уровней:

- библиотека программ для работы с ориентированными графами общего вида;

- библиотеки программ для работы со специализированными моделями графов (деревья, графовые представления продукций, гиперграфы);

- программы пользовательского интерфейса (меню, удобные экранные средства для создания и удаления вершин и связей графа и т.д.).

С учетом всего сказанного общая иерархическая структура программного обеспечения ИКК ТМСС содержит компоненты, представленные на рис. 5.

Описаны основные компоненты (рис. 6) и возможности (табл. 1) первой версии ИКК ТМСС.

При апробации ИКК ТМСС и встроенной в него системой знаний ПНК определена технология работы с комплексом, показанная на рис. 7.

Сферы апробации ИКК ТМСС сведены в табл. 2.

Дополнительно представлены результаты прикладной разработки многотерминальной тестирующей оболочки для психологических опросов и учебников-экзаменаторов-тренажеров по правилам дорожного движения (ГАИ) и для патрульно-постовой службы.

БД о СУБД <=> ГТ « ПГТ «

ММ« пмм <=>

« ГРО о о ОПТ О

с* ГРС <=> о спп

ГР

о ГЛВ

« гпи

« ОУС

<=> мил о пи

БД - базы данных, используемые при реализации графовых моделей и для хранения спецификаций;

ГТ - гипертексты;

ММ - используемые в гипертексте мультимедиа-фрагменты;

СУБД - средства программного доступа к базам данных,

ПГТ - стандартные средства для просмотра гипертекстовых страниц;

ПММ - средства для проигрывания мультимедиа-фрагментов;

ГР - изоморфный гипертексту граф из ключевых слов;

ГРО - библиотека для работы с графами общего вида

(в качестве графа общего вида может служить структура семантического графа, используемая также в базовой модели представления знаний);

ОПТ - алгоритмы оптимизации и маршрутизации на графах;

ГРС - средства работы с графами специального вида (продукция, дерево, гиперграф и т.п.);

СПП - средства для представления понятий.системы знаний при помощи графов специального вида или сложных структур (дескрипторных групп);

ГЛВ - средства логического вывода, реализованные для графа ключевых слов и влияющие на порядок просмотра гипертекстовых страниц;

ГПИ - собственные средства управления порядком просмотра гипертекстовых страниц;

ОУС - средства обработки основных управляющих структур (работа с основным управляющим графом);

МИП - механизмы извлечения и пополнения (преобразования) знаний;

ПИ - интерфейс пользователя.

Рис. 5. Программное обеспечение ИКК ТМСС

МЕХАНИЗМ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СИСТЕМНЫХ ЗНАНИЙ

Управляющая схема

(семантический гиперграф)

ДИАЛОГОВЫЕ СТРУКТУРЫ (спецификации вершин гиперграфа):

- определения;

- примеры;

- блоки первичной информации;

- блоки обработки информации

Подключаемые фрагменты:

Текстовые файлы Рисунки Анимация Звуковые файлы Исполняемые модули Гипертексты

Help-файлы в MS WINDOWS Документы в сети WWW

МЕХАНИЗМ ПРОСМОТРА И МОДИФИКАЦИИ ЗНАНИЙ

Управление доступом (пароли) Навигация по управляющему гиперграфу Модификация управляющего гиперграфа Просмотр и редактирование спецификаций вершин

ИНТЕРФЕЙС ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ

Средства документирования:

- графическое представление управляющего гиперграфа;

- информационное табло с поуровневым количеством вершин

Главное меню

Управляющая схема (гиперграф):

- графическое представление;

- иерархическое меню Представление спецификаций вершин Средства редактирования

Рис. 6. Основные компоненты ИКК ТМСС

Таблица 1

Основные возможности ИКК ТМСС

Формы предста- Инструментальные Содержательное Системные

вления знаний средства наполнение подсказки

Сочетание Выбор управляю- Наличие иерар- Алгоритм

гиперграфовой щего гиперграфа хического (гра- ввода иерархий

формы с по имени фового или и порядок

собственными гиперграфового) подключения

структурами и Ввод, просмотр и описания пред- описаний

гипертекстами редактирование метной области систематизирует

управляющего пользователя работу

Возможность гиперграфа пользователя

подключения (иерархических Ввод множества

текстовых, описаний) определений, Встроенная

графических, примеров, система знаний

анимационных Подключение рекомендуемых ПНК содержит

и звуковых гипертекстов или процедур, необходимые

фрагментов, а мультимедийных документирован- пользователю

также вызова фрагментов ных результатов модели и

исполняемых методы

модулей Ограничение Ввод, просмотр

доступа (пароли) и изменение

при корректировке иерархических

(графовых или

Графическое гиперграфовых)

представление и

управляющего гипертекстовых

графа (гиперграфа) описаний

Наличие средств Выбор

документирования (переключение)

пользователем

предметной

области

Рис. 7. Технология работы с ИКК ТМСС: 2 - ввод информации; 3 - инструментальная оболочка, примеры штатных ситуаций, система знаний по переводу сложного объекта в новое качество; 4 - тестирование пользователя; 5 - знакомство с оболочкой и тренаж по работе с нею; 6 - знакомство со способами описания штатных ситуаций и тренаж по их освоению; 7 - знакомство с примерами штатных ситуаций и тренаж по ним; 8 - работа с нештатной ситуацией; 9 - работа с готовыми средствами; 10 - работа завершена? ; 11 - системотехник нужен? ; 12 - консультации системотехника; 13 - ТЗ системотехнику и программисту на разработку системы знаний; 14 - оценка результатов; 15 - коррекции системных знаний; 16 - формирование системы знаний по сложной (нештатной) ситуации; 17 - информация о результатах создания системы знаний по сложной ситуации

Таблица 2

Сферы апробации ИКК ТМСС_

Социальная структура и организация Задачи, решенные с использованием ИКК ТМСС

Правоохранительные органы (УВД г. Екатеринбурга) Оценка реального состояния следственного отдела Формирование программы развития следственного отдела Обработка нештатных ситуаций в оперативной деятельности ГАИ и Патрульно-постовой службы

Образование (Политехническая гимназия г. Нижний Тагил) УГТУ, кафедра вычислительной техники Формализованное описание реального состояния Политехнической гимназии Техническое задание на разработку программы развития Политехнической гимназии Подготовка студентов по специальности 22.01

Здравоохранение (Медицинское республиканское научно-практическое объединение "Бонум") Анализ состояния реабилитационных технологий Разработка критериев оценки эффективности реабилитационных технологий Создание программ перехода к реабилитационным технологиям с заданным критерием качества

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложена концептуальная модель системы знаний для сложной ситуации. Синтезированы модели сложного тезауруса и гипертекстового тезауруса системных знаний.

2. Доопределены составляющие процесса компьютерного обучения, предложена кортежная модель тренажа, синтезирована рабочая, модель образовательной системы.

3. Предложен способ построения тезауруса системных знаний, необходимый при непосредственной практической разработке ИКК ТМСС. Дан анализ вариантов реализации ИКК ТМСС.

4. Дана формализация проблемы перевода сложного объекта в новое качество, разработан алгоритм работы с оболочкой ИКК ТМСС и встроенной в нее системой знаний ПНК.

5. С использованием представленных в диссертации материалов разработаны следующие программные оболочки и тренажерные комплексы:

многотерминальная тестирующая оболочка для проведения психологических опросов на базе комплекса "Диалог", которая используется в учебном процессе сотрудниками Центра технических средств технологий обучения и кафедрой психологии УГТУ;

- электронный учебник "Введение в системологию и системотехнику", используемый кафедрой вычислительной техники для подготовки студентов , физико-технического факультета по специальности 22.01 и учителей в Институте развития регионального образования;

- системные интеллектуальные подсказчики для УВД г. Екатеринбурга (по фиксации реального и желаемого состояния, целеполаганию, расследованию убийств и др.);

- учебники-экзаменаторы-тренажеры для Патрульно-постовой службы УВД г. Екатеринбурга и по правилам дорожного движения для ГАИ;

- первая версия оболочки ИКК ТМСС, используемая в образовании (Политехническая гимназия г. Нижнего Тагила) и здравоохранении (Медицинский республиканский научно-практический центр "Бонум").

В итоге разработан подход к проектированию ИКК ТМСС, определены теоретические основы, методы и средства работы с системными знаниями при исследованиях и практической деятельности, что соответствует паспорту специальности 05.13,16 (область 7).

Результаты исследования представлены в 23 научных работах, в том числе: 1 монографии, 12 статьях, 2 представлениях на конкурс, 1 научном отчете, 7 тезисах международных и всероссийских конференций.

Во всех совместных публикациях автору принадлежит:

- постановка задач на тактическом и технологическом уровнях;

- реализация на стратегическом, тактическом и технологическом уровнях.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Бельков С.А., Клебанов Б.И., Парфенов Ю.П. Программный интерфейс СУБД в интеллектуальной САПР //Научная конференция "Методы разработки и применения радиоэлектроники и вычислительной техники": Тезисы докладов. Свердловск, 1987.

2. Бельков С.А. Программный интерфейс базы знаний на основе СУБД "ADABAS-M" //Всесоюзный конкурс 1986/87 учебного года на лучшую научную работу студентов по разделу "Радиотехника и связь": Материалы 1 конкурса. М.: МЭИ, 1987.

3. Бельков С.А., Парфенов Ю.П. Базовая модель данных для описания предметной области в интеллектуальной САПР //Всесоюзное совещание по автоматизированному проектированию систем управления движущимися объектами: Тезисы докладов. Харьков: ХАИ, 1987.

4. Бельков СЛ., Парфенов Ю.П. Модель данных для описания предметной области в интеллектуальной САПР //Межвузовский сборник научных статей по автоматизированному проектированию. Харьков: ХАИ, 1988.

5. Бельков С.А., Парфенов Ю.П. Базовая модель данных для информационного банка интеллектуальной САПР /Уральский политехнический институт. Свердловск, 1987. Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения от 7.12.87, ДР 4029 пр. 87.

6. Бельков С.А., Парфенов Ю.П. Система управления данными //Материалы конкурса научных работ Свердловского областного правления ВНТОРЭС им. Попова A.C. Свердловск, 1989.

7. Бельков С.А., Агапова JI.JI., Галеева Е.З. Система управления данными > на основе сетевой модели //Научная конференция "Методы разработки и применения САПР электронно-вычислительной аппаратуры": Тезисы докладов. Свердловск, 1989.

8. Бельков С.А., Парфенов Ю.П. Система манипулирования сетью фреймов для САПР управляющих программ //Второе Всесоюзное совещание по автоматизированному проектированию программного обеспечения систем управления: Тезисы докладов. Харьков: ХАИ, 1989.

9. Бельков С.А., Гольдштейн С.Л. Концепция электронного учебника "Основы системологии и системотехники" //Научно-практический семинар "Технические средства и информационные технологии в образовании": Тезисы докладов. Челябинск: ЧГТУ, 1993.

10. Технология создания простейшего варианта электронного учебника /Бельков С.А., Гольдштейн С.Л., Каленников A.B., Лебедев И.В. //Республиканская научно-практическая конференция "Региональные проблемы информатизации образования": Тезисы докладов. Пермь: Главн. управление образования, 1993.

11. Бельков С.А., Гольдпггейн C.JI. Основные составляющие простейшего электронного учебника //Научно-практическая конференция "Информатизация образования": Тезисы докладов. Екатеринбург: УрГПУ, 1994.

12. Бельков С.А., Ткаченко Т.Я. Разработка и опытные испытания простейшего компьютерного учебника-тренажера по системотехнике //Уральская региональная конференция по искусственному интеллекту (УКЩГ94): Тезисы докладов. Екатеринбург, 1994.

13. Бельков С.А., Гольдштейн С.Л. Системный подход к компьютерным , обучающим средствам //Первая региональная конференция "Интеллектуальные информационные технологии и стратегии в системной информатизации Уральского региона" (Уралинформ-94): Тезисы докладов. Часть I. Челябинск: Изд-во ТОО "Версия", 1995.

14. Бельков С.А., Гольдштейн С.Л. Концептуальные основы создания электронного учебника //Сборник статей "Кибернетика и ВУЗ". Томск, 1994. Вып. 28. С.61-66.

15. Бельков С.А., Гольдштейн C.JL, Шевченко В.Я. Иерархия технологий создания и практического применения компьютерных средств для обучения и развития личности //Материалы международной конференции "Образовательные стандарты и развитие личности". Омск: ОмГПУ, 1995.

16. Компьютерные учебники-тренажеры-экзаменаторы для ППС и ГАИ /Бельков С.А., Бурганов H.A., Гольдштейн C.JI., Гудков С.Л., Терентьев A.C., Ужегов Ю.Л. //Труды межрегиональной конференции "Проблемы информатизации региона". Красноярск: КГТУ, 1995.

17. Системный аспект информатизации правоохранительных органов: выход на системные интеллеюуальные подсказчики по управлению переводом в новое качество /Гольдштейн С.Л., Ткаченко Т.Я., Бельков С.А.

и др.^Под ред. СЛ. Гольдштейна. Екатеринбург: УГТУ, 1995.190 с.

18. Бельков С.А., Гольдштейн С.Л., Ткаченко Т.Я. Гипертекстовый тезаурус системных знаний //НТИ. Серия 2. 1996. №3. С. 1-11.

19. Бельков С.А., Гольдштейн СЛ., Ткаченко Т.Я. Создание гипертекстового тезауруса системных знаний //Доклады международной конференции Е\УСН1-96 по человеко-машинным интерфейсам. М.: ' МЭИ, 1996.

20. Бельков С.А. Структурные и математические основы для решения задач оптимизации на семантических графах и гиперграфах //Доклады Всесоюзной конференции "Новые информационные технологии в ■ исследовании дискретных структур". Екатеринбург: УГТУ, 1996.

21. Проблема реализации гипертекстового тезауруса системных знаний /Бельков С.А., Гольдштейн С.Л., Рудаковский Д.Г., Ткаченко Т.Я. //Доклады Всесоюзной конференции "Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур". Екатеринбург: УГТУ, 1996.

22. Гипертекстовый тезаурус системных знаний и компьютерная оболочка для его реализации /Бельков С.А., Гольдштейн С.Л., Рудаковский Д.Г., Ткаченко Т.Я. //Доклады Всесоюзной конференции "Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур". Екатеринбург: УГТУ, 1996.

23. Системная оценка реального состояния Политехнической гимназии: методология, инструментарий, примеры: Отчет о НИР/Гольдштейн С.Л., Ткаченко Т.Я., Бельков С.А: Екатеринбург: УГТУ, 1996.

Подписано в печать 27.02.97 Бумага типографская Плоская печать Уч.-изд. л. 1,36 Тираж 100 Заказ 59

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ротапринт "Форт-диалог". 620000, Екатеринбург, пр. Ленина, 24/8.

Формат 60x84 1/16 Усл.п.л. 1,86 Бесплатно