Введение к работе
і Актуальность темы. Развитие современного общества вступило в ?азу всеобщей информатизации и компьютеризации, характеризующуюся ліроким внедрением вычислительной техники во все сферы человечески деятельности, в том числе, и в сферу управления сложными тех-нетескими и организационными системами и процессами. Возникло и штивно развивается новое направление исследований в области математического и программного обеспечения современных вычислительны систем - системы поддержки принятия решений (Decision Support, Systems).
', і Системы поддержки принятия'решений (СППР) - это программные <омплексы. предназначенные для помощи лицам, принимающим решения (ЛПр), при оперативном управлении сложными системами и процессами. '. как правило, в условиях жестких временных ограничений. Необходимость внедрения СППР обуславливается непрерывно возрастающей зложностью управляемых объектов и процессов с одновременным сокращением времени, отводимого ЛПР на анализ проблемной ситуации и принятие необходимых управляющих воздействий.
, В отличие от систем принятия решений (Decision Making Systems), предназначенных для поиска оптимального решения и базирующихся на строгих математических методах и моделях оптимизации. СППР в основном ориентированы на решение плохо-Формализуемых задач при отсутствии полной и достоверной информации. При поиске решения используются экспертные моде...!, построенные на основе знаний специалистов-экспертов., и эвристические методы. По современной классификации программных средств СППР можно отнести к классу интеллектуальных (экспертных) систем расчетно-логического типа, сочетающих строгие математические методы поиска решения с нестрогими эвристическими методами, причем главной является именно "экспертная, эвристическая" компонента.
В становление и развитие данного научного направления большой вклад внесли ученые России и других стран СНГ; Борисов А.Н.. Бусланко Н.П., Вагин В.Н.. Гладун В. П.. Глушков В.М.. Даричов 0. И., Орловский С. А., Попов Э. В., Поспелов Г. С.. Поспелов Д. А.. Стефанкж В.Л., Тыугу Э.Х.. Шапиро Д.И., Эрлих А,И. и др.
Одной из основных задач при проектировании СППР является выбор подходящего Формального аппарата для описания процесса приня-
.-4-тия решений и построение на его базе адекватной проблемной области (ПО)(семантически корректной) модели принятия решений (МПР). 1 качестве такого аппарата обычно используются продукционные системы. Однако основные исследования ведутся в контексте алгоритмической (детерминированной) трактовки продукционной системы. Получающиеся в результате модели оказываются зачастую неадекватным? реальным ПО, характеризующимся недетерминизмом, неполнотой, нечеткостью представления информации. Имеющиеся на сегодня программные инструментальные средства проектирования СППР, включая системы реального времени, как правило, ориентируются на замкнутые и статические ПО. т.е. на ситуации, не требующие, коррекции МПР и стратегии поиска в процессе поиска решения.
Основными объектами исследования в диссертационной работе являются продукционные модели табличного типа, способные к адаптации и позволяющие в компактной и наглядной форме описывать ло~ гику процесса принятия решений экспертом, автоматизировать процессы проверки корректности, оптимизации (редукции) и трансляции табличной модели в вычислительную программу. Исследуются представление и обработка недетерминизма и неопределенности в экспертной МПР. и распараллеливание процесса поиска решения, что имеет важное значение для СППР реального времени, функционирующих в открытых и динамических ПО.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является исследование и разработка теоретических принципов конструирования адаптируемых табличных продукционных моделей представления знаний (моделей принятия решений), соответствующего программного обеспечения и методологии применения таких моделей для проектирования СППР реального времени в плане повышения эффективности таких систем и расширения сферы их применения на открытые и динамические проблемные области.
Основными задачами исследований, вклвчавщини задачи анализа и синтеза адекватных ПО МПР и соответствующих инструментальных средств проектирования СППР. являются:
разработка теоретических основ продукционных моделей табличного типа с возможностью адаптации в условиях процесса поиска решения;
разработка методов и алгоритмов.контроля корректности таб-
личных продукционных МПР, методов и алгоритмов оптимизации (редукции) относительно времени поиска решения и трансляции в вычислительные программы;
', - разработка методов и алгоритмов представления и обработки неопределенности в табличных продукционных МПР; '. \ - разработка теоретических принципов и на их основе методов параллельного поиска решения;
\ і - разработка архитектуры параллельной табличной продукционной МПР'на базе концепции асинхронного потокового управления;
| - создание на основе полученных теоретических результатов Йно.трументального комплекса проектирования экспертных СППР реального времени с возможностью функционирования в .открытых и динамических ПО и его применение для решения прикладных задач.
. і Методы исследований. Проведенные в работе исследования основаны на использовании аппарата теории формальных систем, теории принятия решений, теории программирования, теории множеств, теории информации и математического моделирования.
,Научная новизна. Разработанные в диссертации теоретические основы адаптируемых табличных продукционных моделей с элементами недетерминизма и методы их обработки, включая параллельные, являются существенным вкладом в развитие фундаментальных исследований в области прикладного программирования, теории принятия решений, проектирования СППР реального времени для открытых и динамических проблемных областей.
: Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе, следующие:
- предложен и обоснован новый подход к представлению знаний
о процессе принятия решений (представлению МПР). базирующийся на
адаптируемых продукционных моделях табличного типа с использова
нием недетерминизма в процессе поиска, свойственного шгохоформа-
лизуемым задачам принятия решений в открытых и динамических ПО;
- разработаны теоретические основы табличных продукционных
' МПР, на базе которых исследованы и предложены методы и алгоритмы
контроля семантической корректности, оптимизации (редукции), трансляции моделей (построения алгоритма поиска решения);
- теоретически исследованы и предложены методы оптимизации и
редукции табличных продукционных МПР в условиях недетерминизма на
- 6 -основе теоретико-информационного подхода с использованием аппарата приближенных мнижестп и приближенной энтропии, что позволяет существенно сократить время поиска решения;
теоретически исследованы возможности аппарата тернарной логики и его эффективность для представления неопределенности в табличных продукционных моделях, свойственных открытым и динамическим ПО. Предложен метод представления неопределенности, ориентированный на параллельную обработку продукционных правил:
разработаны теоретические принципы распараллеливания в продукционных моделях на основе учета различных типов зависимости продукционных правил и предложен метод параллельной обработки табличных продукционных МПР;
предложена и теоретически исследована организация параллельной обработки продукционной модели на основе потоковой схемы вычислений, предложена архитектура параллельной МПР в виде муль--типроцессорной неоднородной системы;
разработаны основные концепции построения и методология применения инструментального программного комплекса для проектирования экспертных СППР, включая системы реального времени.
Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации теоретические положения, методы и алгоритмы конструирования и обработки адаптируемых табличных продукционных МПР и созданный на их основе инструментальный программный комплекс проектирования экспертных СППР, включающий систему моделирования принятия решений СИМПР и систему визуального отображения ВИКОНТ, позволяют расширить сферу автоматизации процессов принятия решений в реальном масштабе времени на открытые и динамические ПО.
Инструментальный комплекс внедрен в ряде организаций, первая очередь комплекса СИМПР/ЕС, зарегистрированная в Государственном фонде алгоритмов и программ, демонстрировалась на ВДНХ СССР, а ее автор - Еремеев А. П. - награжден Серебряной медалью ВДНХ.
Реализация результатов работы. Предложенные в работе теоретические основы адаптируемой продукционной модели принятия решений табличного типа, методы и алгоритмы ее обработки, а также программный инструментальный комплекс на их основе для проектирования экспертных СППР, ориентированных на функционирование в реальном масштабе времени и динамических ПО. были разработаны в те-
- 7 -чение более чем десятилетних исследований на кафедре Прикладной математики Московского энергетического института (технического университета) в рамках научно-исследовательских работ, выполненных по тематике, определенной следующими постановлениями и планами: координационными планами АН СССР на 1981-1985 гг. (задания 1.(12.2.5 и 1.12.9.2) и на 1986-1990 гг. по проблеме 1.13 - Кибернетика (пп. 1.13.5.1.4 и 1.13.5.1.5). Решением Государственной ВПК КМ СССР N 58 от 24 апреля 1991 г., Приказом Министерства науки.' высшей школы и технической политики РФ N 5 от 2 января 1992 г. о включении в перечень межвузовских программ научно-технической программы "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики".
і Выполненные НИР:
', і - Система моделирования принятия решений СИМПР (НИР, 1978г.. Гос.per. N 78001855. ответственный исполнитель);
.- Ситуационное управление энергетическими системами (НИР. 197941980 гг.. гос.per. И 79023615. ответственный исполнитель);
,- Создание и внедрение пакетов прикладных программ, обеспечивающих эффективное взаимодействие пользователей с вычислительной системой (НИР. 1980-1984 ГГ.. ГОС.per. Н 01829054367. ответственный исполнитель);
Разработка методов представления знаний и логического вывода для исследования проблемы автоматизации проектирования и гибкого автоматизированного производства изделий МЭА (НИР N 20718600. 1986-1988 ГГ., ГОС. per. N01860052216, ответственный исполнитель);
Исследование современных высокоэффективных интеллектуальных (экспертных) систем в плане автоматизации процессов принятия решений в теплоэнергетике (НИР N 3001900. 1990-1991 гг.. roc per. N 0190001427. научное руководство);
Программные средства экспертных систем .(НИР N 1022900. 1990 -1992 гг.. гос.per. N 01920008669. научное соруководство и
' ответственный исполнитель);
- Исследование и разработка программных средств когнитивной
графики для систем поддержки принятия решений при управлении
сложными техническими объектами и процессами в энергетике и в
Обучении (НИР N 1147920. 1992 Г.. ГОС. per. N 01930010378. науч-
- є -ное руководство);
Исследование и разработка базового программного обеспечения систем с элементами искусственного интеллекта (НИР N 2503910, 1991-1995 гг.. гос. per. N 01910056277, научное руководство);
Исследование и разработка комплекса инструментальных программных средств конструирования интеллектуальных систем принятия решений для сложных объектов и процессов (Грант по фундаментальным исследованиям в области технических наук 1992-1993 гг. по разделу "Информатика", подразделу 2, НИР N 1227920, 1992-1993гг., гос. per. N 01920017442. научное соруководство);
Разработка методического обеспечения по курсу "Компьютерная подготовка" в рамках Международного проекта "Подготовка кадров по энергосбережению для России" (НИР N 2880920, 1992- г., научное руководство). '
Исследование и разработка моделей и методов достоверного и' правдоподобного вывода в интеллектуальных системах поддержки принятия решений (Грант РФФИ (код проекта 93-012-756), НИР N1448930, 1993-1995 гг.. гос. per. N 01930010380,' научное соруководство).
Практические разработки, выполненные с использованием результатов проведенных исследований:
инструментальная СППР на'базе продукционной модели представления знаний (внедрено в МИЭМ);
инструментальный программный комплекс на ПЭВМ типа IBM PC AT для проектирования экспертных СППР на базе продукционных табличных моделей представления знаний, ориентированных на открытые проблемные области и функционирование в реальном масштабе времени (внедрено в ВТИ);
инструментальный программный комплекс СИМПР/ПК. ориентированный на конструирование систем поддержки принятия решений и управления сложными объектами и процессами в реальном масштабе времени (внедрено в НИЦ АВТОМАТИКА);
комплекс моделей и программных средств когнитивной графики и методология его применения при управлении техническими объектами и процессами в энергетике, а также при обучении специалистов новым методам и средствам экономии энергоресурсов (внедрено в Межвузовскую НТП "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики". МЭЙ);
.-9-
- методика конструирования моделей представления знаний о процессе принятия решений на основе аппарата асинхронных табличных продукционных систем и основные конструкции параллельной про-цукционной модели представления знаний и программно-аппаратных з^едств ее реализации на базе высокопроизводительных параллельных вычислительных ісожлеяесз (внедрено в ВЦ РАН в проект N 743 Государственной НТП "Программные, средства экспортных систем");
\ - методы контроля семантической корректности моделей представления знаний и поиска решения на базе адаптируемых продукционны^ систем, методы и алгоритмы представления и обработки неопределенности в экспертных знаниях', методы поиска решения и параллельной обработки продукционной модели с использованием потоковой зхемы вычислений (внедрено в ИПС РАН);
; \ - методы и инструментальные средства проектирования СППР для шеративно-диспетчерского управления энергообъектами (внедрено в ДОШКА).
^Исследования и разработки по продукционным моделям представ-чения, знаний и принятия решений и инструментальным программным :рёдствам на их основе для конструирования интеллектуальных (экс-іертньк) СППР реального времени нашли отражение в постановке но-зых;учебных дисциплин б МЭИ: "Теория и методы принятия решений", 'Экспертные системы и системы искусственного интеллекта", читае-«ых для студентов специальности'"Прикладная математика" и слушателей ФПКП, :
Апробация работы. . Основные результаты исследований, выпол-іенннх в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Іовещании специалистов стран-членов СЭВ по применению персональ-шх ЭВМ в задачах проектирования и поддержки решений (Суздаль, :ССР, 1989 г.), Международной конференции по системам проектиро-іания SYPR0-90 (Варшава, Польша, 1990 г.), Международных форумах «форматизации (Москва, Россия. 1992г., 1993г.). Международной :онференции по искусственному интеллекту "Восток-Запад" EWAIC93 Москва, 1993 г.), I Всесоюзной конференции по технологии прог-іаммирования (Киев, 1979 г.), Всесоюзном научном семинаре по мо-[елям выбора альтернатив в нечеткой среде (Рига, 1980 г.). Всесо-ізной школе-совещании по проблемам проектирования экспертных метем (Москва, 198Э г.), Всесоюзной конференции "Проблемы разра-
- 10 -ботки и внедрения экспертных систем" (Москва, 1989 г.), IX Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Москва, 1989 г.), II Всесоюзной конференции по искусственному интеллекту (Минск, 1990 г.), V Всесоюзной научно-технической конференции "Однородные вычислительные системы, структуры и среды" (Москва. 1991 г.), Всесоюзном семинаре по новым информационным технологиям (Одесса, 1988 г., 1990 г.). Всесоюзном научно-техническом семийаре по программному обеспечению новых информационных технологий (Тверь, 1991 г.), Всесоюзной выставке-семинаре "Новые информационные технологии в высшей школе" (Гурзуф, 1991 г.). III Конференции по искусственному интеллекту КИИ-92 (Тверь. 1992г.). на-семинарах Московского ДНТП, ЦРДЗ, "Аппаратная поддержка интеллектуальных систем" Ассоциации искусственного интеллекта, ВЦ РАН. ИПУ РАН. ИПС РАН. семинарах кафедры Прикладной математики МЭИ и других научных форумах.
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 50 работ, выпущено 12 отчетов по НИР.
Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложений. Общий объем основного текста составляет 353 стр.. в том числе 31 рис. и 37 таблиц. Список литературы состоит из 212 Наименований.
