Введение к работе
Актуальность проблемы. Рассматриваемая работа посвящена вопросам разработки формальных методов представления нечетких знаний прикладного характера, создания программных комплексов и экспертных систем для решения качественных задач в научных исследованиях, организационной и управленческой деятельности, некоторых других областях применения ЭВМ.
Актуальность работы определяется общепризнанной тенденцией переориентации использования компьютеров с вычислений, расчетов на обработку информации сложной структуры (знаний) и решение прикладных задач самого разного характера, в том числе требующих умения проявлять интеллектуальное поведение. Такие задачи характерны для прикладных научных исследований, организационной и управленческой деятельности.
В научных исследованиях компьютеры традиционно используются в качестве вычислительного устройства, преобразующего некоторые наборы исходных данных в выходные результаты в виде чисел, таблиц, графиков в соответствии с используемыми теориями и методами. Однако существует и другая сторона научных исследований, связанная с необходимостью быстрого и эффективного решения практических прикладных задач качественного характера. Решение таких задач, как правило, не связано с привлечением глубоко проработанных теорий, а производится на основе эмпирических знаний, известных особенностях, закономерностях и т.п. Такие знания обычно объемны, слабо систематизированы, источником их является научная литература, собственный опыт специалиста, часто для них характерны некоторая неопределенность, нечеткость как в содержании, так и в методах применения. В то же время качественные прикладные задачи носят массовый характер, их постоянно' решают многие специалисты с разным опытом и уровнем квалификации, привлечение для их решения компьютеров требует разработки соответствующих формальных методов, алгоритмов, программных комплексов и экспертных систем.
Конечной целью автоматизированной обработки деловой, финансовой, коммерческой и т.п. информации является принятие решений в области организации, управления, а также оценка параметров, характеристик, качества самих решений. Кроме того, много практически важных качественных задач относится к областям планирования, контроля, обучения, классификации и т.д. и для их эффективного решения характерно использование программных систем для получения логических выводов в условиях неопределенных, нечетких знаний.
Цель работы заключается в разработке нового научного направления в области представления знаний и методов решения задач на ЭВМ - создании теории и методов формализации нечетких знаний прикладного характера, алгоритмов и процедур решения качественных задач, разработке на данной основе программных комплексов и экспертных систем.
Для достижения поставленной цели в диссертации должны быть решены следующие задачи:
-создание теории и методов представления и формализации логических компонентов нечетких знаний, используемых в прикладных научных исследованиях, организационной, управленческой деятельности и ряде других областей применения ЭВМ;
-разработка методов, алгоритмов и процедур решения прикладных качественных задач широко распространенных классов: прогнозирования, интерпретации, идентификации и т.д. в различных проблемных областях;
-разработка программных комплексов и экспертных систем, реализующих предложенные методы представления знаний и решения качественных задач .
Научная новизна работы заключается в следующем:
-решена задача математического синтеза и анализа молекулярных структур методами дискретной математики и разработан комплекс программ МАИСС;
-решена задача идентификации структур многоатомных молекул по спектрохимическим данным при таблично-продукционной форме представления нечетких знаний и разработана экспертная система РАСТР;
-предложена теория и методы формализации нечетких знаний прикладного характера на основе объединения возможностей логики предикатов первого порядка и теории нечетких множеств - прикладное исчисление нечетких предикатов;
-показана возможность решения качественных задач в прикладном исчислении нечетких предикатов методом доказательства теорем с оценкой истинности полученных результатов;
-проведена формализация и структурирование логических компонентов знаний прикладного характера в ряде проблемных областей;
-проведена систематизация и формальное описание широко распространенных классов прикладных качественных задач: прогнозирования, интерпретации, идентификации;
-приведены примеры формализации знаний и решения качественных задач на языке ТУРБО-ПРОЛОГ, расширенном для нечеткой логики;
-показана возможность использования нечеткой логики в естественноязыковых приложениях.
Практическое значение. Разработанная теория и методы логического представления нечетких знаний и решения-качественных задач были использованы и используются в настоящее время при создании ряда экспертных систем и программных комплексов в области прикладных научных исследований и в области автоматизации производства и управления. К их числу относятся:
-система математического синтеза и анализа молекулярных структур МАИСС. Результаты расчетов системой МАИСС точного числа изомеров различного атомного состава и их построение получены и описаны впервые;
-экспертная система распознавания структур многоатомных молекул РАСТР. Неоднократно модифицированные варианты системы РАСТР эксплуатируются почти 20 лет;
-экспериментальная экспертная система СПРИНТ. Система используется для отработки предлагаемых методов и имеет в своем составе ряд универсальных компонентов, применимых в других системах подобного рода;
-автоматизированная система оценки качества изделий легкой промышленности;
-система контроля сроков выполнения решений.
Достоверность научных положений, выводов и результатов подтверждается:
-использованием для представления логических компонентов знаний и решения качественных задач формальной аксиоматико-дедуктивной системы с общепринятыми в дискретной математике синтаксическими и семантическими конструкциями;
-использованием для решения ряда качественных задач классических методов дискретной математики;
-успешным применением разработанных методов при создании экспертных и информационных систем;
-внедрением и эксплуатацией созданных экспертных и информационных систем.
Личный вклад автора заключается в непосредственном формулировании общих концепций настоящей работы и решении поставленных задач. В практических приложениях основной вклад автора состоит в решении вопросов математического, формального характера, разработке программных комплексов и экспертных систем.
Более чем 20- летнюю работу в рассматриваемой области автор начинал в неформальном творческом коллективе академика РАЕН, д.ф.-м.н., проф. Л.А.Грибова под его непосредственным руководством и выражает ему искреннюю признательность. Автор благодарен д.х.н., проф. М.Е.Эляшбергу за долговременное и плодотворное сотрудничество, одним из результатов которого было создание экспертных систем МАИСС и РАСТР. За многолетнее сотрудничество автор признателен В.М.Петрову. Академику МАИ, д.т.н., проф. В.З.Букрееву автор благодарен за создание творческой атмосферы на руководимой им кафедре информатики, благодаря чему и стало возможным оформить рассматриваемые работы как диссертацию.
Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях, съездах, семинарах, совещаниях:
-Третий семинар "Использование вычислительных машин в спектроскопии молекул" (Новосибирск, 1975);
-11-ый Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (Москва, 1975);
-6-ая Межотраслевая конференция молодых специалистов (Москва, ГИРЕДМЕТ, 1976);
-4-ая Всесоюзная конференция "Использование вычислительных машин в спектроскопии молекул" (Новосибирск, 1977);
-9-ая Международная конференция по применению ЭВМ в химии и. химическом образовании (Новосибирск, 1978);
-Научно-технический семинар "Системный анализ и оптимизация управления" (Москва,1982);
-Научно-технический семинар "Системный анализ и оптимизация управления" (Москва, 1983);
-6-ая Всесоюзная конференция "Использование вычислительных машин в спектроскопии молекул и химических исследованиях.". (Новосибирск, 1983);
-Межвузовский научно-технический семинар "Системный анализ, техническая и экономическая кибернетика" ( Москва, 1984);
-5-ая Всесоюзная конференция по аналитической химии органических соединений (Москва, 1984);
-Межвузовский научно-технический семинар "Системный анализ, техническая и экономическая кибернетика " (Москва, 1984);
-7-ая Всесоюзная конференция "Использование вычислительных машин в химических исследованиях и спектроскопии молекул" (Рига, 1986);
-Всесоюзная конференция "Математические методы и ЭВМ в аналитической химии" (Москва, 1986);
-The Third USSR-JAP AN symposium on computer chemistry (Novosibirsk, 1987);
-3-я Международная научно-техническая конференция "Программное обеспечение ЭВМ" (Тверь, 1990);
-Конференция "Автоматизация проектирования и производства в легкой промышленности" (Москва, РЗИГЛП, 1995);
-Межвузовская научная конференция "Современные проблемы текстильной и легкой промышленности" (Москва, РЗИТЛП, 1996);
-The Fourth International "Workshop Multiple criteria and game problems under uncertainti" (Moscow, 1996).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 49 печатных работах. В их числе: монография, 2 статьи в ДАН СССР, 6 статей в зарубежных журналах.
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы из 116 наименований и изложена на 211 страниц машинописного текста, включая 30 рисунков и 30 таблиц.
