Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ существующих методов и средств построения систем поддержки принятия решений на основе нечёткого ситуационного подхода и классификация моделей нечётких ситуационных сетей 12
1.1 Анализ подходов к построению программных систем поддержки принятия решений 12
1.2 Анализ существующих методов и средств поддержки принятия решений на основе нечёткого ситуационного подхода 14
1.3 Определение требований к моделям нечётких ситуационных сетей для построения систем поддержки принятия решений 21
1.4 Разработка классификации моделей нечётких ситуационных сетей для построения систем поддержки принятия решений 24
1.5 Постановка задачи исследования 28
1.6 Выводы по разделу 30
2 Разработка научно-методического аппарата для создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей 32
2.1 Комплексная методика создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей... 32
2.1.1 Структура комплексной методики создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей 32
2.1.2 Формирование компонентов нечёткой ситуационной сети 37
2.1.3 Определение нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 38
2.2 Разработка способа построения нечётких ситуационных сетей 45
2.2.1 Основные этапы способа построения нечётких ситуационных сетей 45
2.2.2 Разработка формализованного представления объектной модели предметной области 48
2.2.3 Способ задания эталонных ситуаций. Идентификация нечётких ситуаций относительно контекста 53
2.2.4 Генерация узлов нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 57
2.2.5 Формирование модели действий в нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 69
2.2.6 Построение иерархии ситуационных групп нечёткой ситуационной сети 71
2.3 Метод вывода по нечёткой ситуационной сети 77
2.3.1 Структура метода вывода по нечёткой ситуационной сети 77
2.3.2 Способ реализации метода вывода по нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 81
2.3.3 Разработка способа многокритериальной оценки состояний в нечёткой ситуационной сети 90
2.4 Выводы по разделу 99
3 Разработка программных средств и алгоритмов поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей 101
3.1 Обоснование принципов построения программных средств поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей 101
3.2 Структура системы поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей 103
3.3 Алгоритмы идентификации групп эталонных ситуаций, способы снижения вычислительных затрат при идентификации нечётких ситуаций 105
3.4 Алгоритм формирования списка действий относительно текущего состояния управляемой системы при построении нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 116
3.5 Общий алгоритм построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 117
3.6 Алгоритм вывода по нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети с использованием оценки состояний 121
3.7 Алгоритм формирования обобщённой оценки состояния управляемой системы 126
3.8 Структура базы знаний системы поддержки принятия решения на основе нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети 128
3.9 Выводы по разделу 135
4 Создание прототипа системы поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей и оценка эффективности его использования 136
4.1 Практические рекомендации по разработке системы поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей 136
4.1.1 Выбор способа реализации арифметических операций над нечёткими числами 136
4.1.2 Выбор способа реализации арифметических операций над нечёткими вероятностями 143
4.1.3 Выбор способа реализации операций сравнения и идентификации 145
4.1.4 Формализация предметной области при построении модели оценки состояний управляемой системы 152
4.2 Выработка решений на основе системы поддержки принятия решений.. 155
4.3 Оценка эффективности использования системы поддержки принятия решений при выработке решений при управлении сложной организационно-технической системой 170
4.4 Выводы по разделу 177
Заключение 179
Список использованной литературы
- Разработка классификации моделей нечётких ситуационных сетей для построения систем поддержки принятия решений
- Структура комплексной методики создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей
- Структура системы поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей
- Выбор способа реализации арифметических операций над нечёткими числами
Введение к работе
В настоящее время активно ведутся исследования в области создания систем поддержки принятия решений (СГТПР), основными тенденциями развития которых являются следующие. Усиливается их ориентация на решение слабоструктурируемых и неструктурируемых проблем, характеризующихся невозможностью использования методов и моделей, основанных на точном описании проблемных ситуаций. В парадигму СГТПР включаются модели и методы, основанные на представлении и обработке экспертных данных, знаний. Широко используются методы интеллектуального анализа данных. Смещается акцент в сторону активной поддержки принятия решений. Все более широкое использование находят принципы модульности, адаптивности, гибридности при построении программных средств СППР. Широко используются Web-технологии [1, 19, 20, 28, 32, 61, 65, 68].
Эти исследования основываются на работах таких отечественных и зарубежных ученых, как В. М. Глушков, Н. А. Амосов, Д. А. Поспелов, Н. Винер, М. Минский, О. И. Ларичев, Ж.-Л. Лорьер, Ф. Розенблатт , Э. В. Попов, Г. С. Осипов, Н. Г. Загоруйко, В. Ф. Хорошевский, В. Н. Вагин, А. П. Еремеев, И. Б. Фоминых, О. П. Кузнецов, В. В. Топорков, А. Б. Фролов, А. Н. Аверкин, В. Б. Тарасов.
Вместе с тем, подходы к созданию СППР, основанные на построении моделей объектов управления и их анализе ([37, 57, 60, 61, 63, 64, 67, 68, 69, 79, 91]), далеко не всегда применимы к системам, характеризующимся следующими особенностями:
- высокими требованиями к качеству и оперативности решений;
- большим числом факторов, учитываемых в процессе принятия решений, которые сложно или невозможно корректно формализовать аналитически;
- неполной, неточной, зачастую недостаточно достоверной информацией, на основе которой вырабатываются решения;
- изменением качества информации в процессе выработки решений;
- качественным характером описания ситуаций и управляющих решений;
- возможностью описания вариантов принятия решений в виде событий;
- разделением управляющих решений по функциональным аспектам;
- практической невозможностью описать все типовые ситуации принятия решений и представить их в виде связной структуры;
- быстро изменяющимися целями управления и составом системы;
- уникальностью условий конкретных задач принятия решений;
- наличием качественной и стохастической неопределенности при описании результатов управляющих решений;
- необходимостью учета последствий управляющих решений [76].
Это позволяет обосновать перспективность построения СППР на основе ситуационного подхода, определяющим принципом которого является формирование не столько модели самого объекта, сколько модели управления им [53, 58].
Задачи СППР в этих условиях характеризуются недостаточностью или неопределённостью данных, неточностью, и даже противоречивостью информации, на основе которой принимаются решения. Поэтому наиболее адекватным представляется использование методов теории нечёткой логики, нечёткой математики, предложенных и развитых в работах таких ученых, как Л. Заде, Д. Дюбуа, А. Прад, Е. Мамдани, А. Кофман, А. Н. Борисов, И. 3. Батыршин [1,2, 4, 5, 7, 8, 15, 10, 21, 22, 30, 34, 39, 59, 60, 61, 69, 89, 90, 114].
Совокупность методов ситуационного подхода и нечёткой логики получила название нечёткого ситуационного подхода (НСП). В работах А. Ы. Мелихова и Л. С. Берштейна предложен аппарат нечётких ситуационных сетей (НСС) для создания ситуационных советующих систем с нечёткой логикой. Вместе с тем, если для относительно несложных объектов данный подход может успешно использоваться [26], то применение его к сложным системам, характеризующимся перечисленными выше особенностями, ограничено вследствие ряда причин. Так, используемые модели нечётких ситуаций и сетей не позволяют реализовать эффективные процедуры представления и обработки многофакторных данных и знаний. Отсутствуют способы, алгоритмы и программные средства построения и изменения иерархии групп нечётких эталонных ситуаций, в соответствии с различными группами ситуационных N признаков. Не разработан механизм взаимодействия моделей «ситуация - действие» и «ситуация — стратегия управления — действие», по: зволяющий задать в явном виде для нечётких ситуаций наборы возможных управляющих решений, ограничив число возможных переходов в НСС. При описании, выработке и учете результатов управляющих решений не учитывается стохастическая неопределённость, характеризующая различные варианты событий в НСС. Существующие способы и алгоритмы нечёткого вывода недостаточно ориентированы на решение задач нечёткого ситуационного вывода по НСС. Недостаточен учёт фактора времени и продолжительности реализации управляющих решений.
Таким образом, задача разработки и исследования способов и программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей является актуальной и практически значимой.
Целью исследования является повышение эффективности процессов обработки данных и знаний в компьютерных системах за счет создаваемых способов и программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей.
Научной задачей диссертационной работы является разработка и исследование способов и программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей для повышения эффективности процессов обработки данных и знаний в компьютерных системах.
Для этого необходимо решить следующие задачи.
1. Анализ современных подходов, а также существующих методов и средств построения систем поддержки принятия решений на основе нечёткого ситуационного подхода.
2. Анализ и классификация моделей нечётких ситуационных сетей для построения систем поддержки принятия решений.
3. Разработка комплексной методики создания и использования программных средств поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей, позволяющей решить основные задачи поддержки принятия решений от формализации предметной области до применения сети для выработки управляющих решений.
4. Создание новой модели нечёткой ситуационной сети, обеспечивающей эффективную реализацию процедур представления и обработки нечётких ситуаций и выработки управляющих решений.
5. Разработка способов, алгоритмов и программных средств построения и вывода по нечёткой ситуационной сети предлагаемого типа.
6. Создание прототипа СППР на основе нечётких ситуационных сетей и оценка эффективности использования предлагаемого научно-методического аппарата.
Объектом исследований являются системы поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей.
Предметом исследований являются методы и программные средства поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей.
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследования: методы системного анализа, теории нечётких множеств, теории графов, нечётких систем и нечёткого вывода, методы ситуационного управления и нечётких ситуационных сетей, методы объектно-ориентированного анализа и проектирования программных средств.
Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, определяется корректным применением использованных методов исследования.
Достоверность научных положений подтверждена данными экспериментов на основе компьютерного моделирования с привлечением существующих имитационных моделей, апробацией основных результатов на конференциях и их практическим внедрением, результаты которых позволяют сделать вывод об адекватности разработанных способов и программных средств.
Научная новизна работы заключается в следующем.
1. Разработана комплексная методика создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей, включающая в себя взаимосвязанные частные методики: анализа и формализации предметной области; построения нечёткой ситуационной сети и применения сформированной сети для выработки последовательностей управляющих решений.
2. Предложена модель нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети (НИССС), позволяющая обеспечить: представление как состояний, так и эталонных ситуаций; построение многовершинной иерархии групп нечётких эталонных ситуаций, в соответствии с группами ситуационных признаков; учет стохастической неопределённости результатов управляющих решений; адаптацию к изменениям структуры управляемой системы.
Разработан способ и алгоритмы динамического построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, позволяющие учесть продолжительность выполнения управляющих решений и возможность его прерывания.
3. Предложен метод вывода по нечёткой ситуационной сети, а также разработаны реализующие его способ и алгоритмы вывода по НИССС, учитывающие оценки состояний системы, отдельных управляющих решений и всей последовательности принимаемых решений (сценария управления).
4. Разработаны способ и алгоритм многокритериальной оценки состояний в нечёткой ситуационной сети, позволяющий решить задачу согласования критериев оценки функционирования системы на основе поиска подмножеств одинаково согласованных критериев оценки.
Практическую значимость работы составляют.
1. Разработанные и реализованные алгоритмы обработки данных и знаний, реализующие предложенные способы построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети и вывода по ней: идентификации нечётких ситуаций; формирования управляющих решений; динамического построения сети; вывода по сформированной сети; формирования обобщённой оценки состояния управляемой системы.
2. Предложенная структура базы знаний СППР на основе нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети и пути её реализации.
3. Разработанный прототип СППР при планировании и оперативном управлении сложной организационно-технической системой.
4. Обоснованный набор основных нечётких арифметических и логических операций над нечёткими числами и вероятностями для применения в программных средствах построения и использования нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, с учетом снижения вычислительных затрат при их реализации.
5. Практические рекомендации по использованию предложенного научно-методического аппарата при решении задач оперативного управления сложными организационно-техническими системами.
На защиту выносятся:
1. Комплексная методика создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей.
2. Модель нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, ориентированная на эффективную реализацию процедур представления и обработки нечётких ситуаций и выработки управляющих решений.
3. Способ и алгоритмы динамического построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, позволяющие учесть продолжительность выполнения и возможность прерывания управляющих решений.
4. Метод вывода по нечётким ситуационным сетям, способ и алгоритмы вывода по нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, учитывающие оценки состояний системы, отдельных управляющих решений и всей последовательности принимаемых решений.
Реализация результатов работы. По результатам работы построен прототип СППР при планировании и оперативном управлении сложной организационно-технической системой. Теоретические и практические результаты работы использованы при разработке модельного обеспечения функциональной подсистемы обработки и анализа данных информационно-аналитической системы распределения бюджетных средств Рособразования (по заказу Рособразо-вания в рамках Госконтракта № П285 от 25.06.2008, ГОУВПО «МЭИ(ТУ) , Москва, 2008), при реализации НИР «Исследование и разработка нейро-нечётких моделей в сложных организационно-технических системах» (ГОУВПО «МЭИ(ТУ)», Москва, 2006-2008 г.г., № 1028060) и используются в учебном процессе Филиала ГОУВПО «МЭИ(ТУ)» в г. Смоленске и Военной академии войсковой ПВО ВС РФ им. Маршала Советского Союза А. М. Василевского (г. Смоленск), что подтверждено соответствующими актами о внедрении (см. Приложение).
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Межрегиональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2004); III Межвузовская научно-методическая конференция «Современные информационные технологии в научных исследованиях, образовании и управлении» (Смоленск, 2005); 12-я и 14-я Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2006, 2008); III Межрегиональная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Информационные технологии, энергетика и экономика» (Смоленск, 2006); 15-я и 16-я Военно-научные конференции Военной академии войсковой ПВО ВС РФ им. Маршала Советского Союза А. М. Василевского (Смоленск, 2007, 2008); IX Международная конференция «Системы компьютерной математики и их приложения», СКМП-2008 (Смоленск, 2008).
По результатам работы опубликовано 15 печатных трудов, в том числе 1 статья в журнале из перечня ВАК. Результаты диссертации отражены в 3-х отчётах о НИР.
Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований. Диссертация содержит 193 страницы машинописного текста, 38 рисунков, 19 таблиц, приложение.
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и научная задача диссертации, сформулированы её научная новизна и практическая значимость, приведено краткое содержание по разделам.
В первом разделе проведён анализ современных подходов к построению программных средств поддержки принятия решений. Рассмотрены существующие методы и средства поддержки принятия решений на основе нечёткого ситуационного подхода, их достоинства и недостатки. Обосновано применение нечётких ситуационных сетей в задачах ППР Определены требования, предъявляемые к ситуационным сетям в соответствии с особенностями задач поддержки принятия решений при ситуационном управлении организационно-техническими системами. Разработана классификация нечётких ситуационных сетей, позволяющая предложить новые типы ЫСС для построения СППР. Рассмотрены недостатки существующего научно-методического аппарата построения средств ППР на основе НСС.
Сделан вывод о необходимости разработки методического обеспечения процессов создания и использования программных средств поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей, способов построения многовершинной иерархии групп нечётких эталонных ситуаций, в соответствии с различными группами ситуационных признаков, характеризующими различные аспекты функционирования управляемой системы, адаптации НСС к изменениям структуры управляемой системы за счёт применения объектно-ориентированного подхода, учёта продолжительности выполнения и стохастической неопределённости результатов управляющих решений.
Во втором разделе описан разработанный научно-методический аппарат ППР на основе нечёткого ситуационного подхода. Предложена комплексная методика создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей. Рассмотрен процесс определения типа нечёткой ситуационной сети в соответствии с требованиями, предъявляемыми задачей поддержки принятия решений. Предложена модель нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, отвечающей требованиям рассмотренной задачи и позволяющей учесть стохастическую неопределённость результатов управляющих решений, множественность аспектов функционирования управляемой системы, гибко адаптирующейся к изменениям структуры управляемой системы. Разработан способ динамического построения НИССС, позволяющий учесть продолжительность выполнения управляющих решений.
Разработан метод вывода по НСС, отличающийся совместным использованием трёх оценочных моделей. Это: модель оценки состояния управляемой системы, модель оценки управляющих решений и модель оценивания сценария управления. Разработан способ вывода по НИСС, реализующий предложенный метод. Предложены модель и способ многокритериальной оценки состояний управляемой системы, решающий задачу согласования критериальных показателей оценки качества функционирования управляемой системы.
Третий раздел посвящен вопросам построения программных средств и алгоритмов поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей. Предложены основные принципы построения программных средств поддержки принятия решения, обеспечивающие эффективную реализацию процессов обработки знаний на основе нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети. Разработана структура системы поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей. Разработаны алгоритмы реализации предложенных способов построения НИССС и вывода по пей. Определены рекомендации к структурам и классам данных программных средств ППР на основе НИССС, разработаны структура базы знаний СППР и пути её реализации.
В четвёртом разделе рассмотрены практические вопросы реализации и применения прототипа Сі 11 IP при планировании и оперативном управлении сложной организационно-технической системой.
Обоснован набор основных нечётких арифметических и логических операций над нечёткими числами и вероятностями для применения в процедурах построения и нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети и вывода по ней. Разработан способ формализации предметной области при построении модели оценки состояний управляемой системы.
На основании результатов экспериментальной проверки проведена оценка качества и оперативности решений, вырабатываемых при использовании разработанного прототипа СППР в процессе управления сложной организационно-технической системой.
Разработка классификации моделей нечётких ситуационных сетей для построения систем поддержки принятия решений
Можно выделить большое число типов ситуационных сетей, классифицируемых по способу организации различных сторон её построения и функционирования. Применение того или иного типа сети определяется особенностями предметной области (сложностью структуры, составом характеристик управляемой системы, особенностями реализации управляющих реше ний) и требованиями к сети как составляющей процесса принятия решения (требуемая/достаточная степень адекватности, полноты, гибкости).
Заметим, что построение нечёткой ситуационной сети в общем случае подразумевает наличие эталонных ситуаций — одной или нескольких групп обобщённых состояний, объединённых общим набором системных характеристик и способом представления (в виде посылки продукционного правила или нечёткого множества второго порядка), к которым приписывают конкретные наборы управляющих решений. Эталонные ситуации обобщают близкие состояния системы, свойственные различным типовым ситуациям принятия решения. Лингвистические переменные, используемые при описании эталонных ситуаций, образуют множество ситуационных признаков.
Обобщённое состояние, совпадающее по набору системных характеристик и формату представления с эталонными ситуациями рассматриваемой сети, предъявляемое для сравнения с эталонными ситуациями в качестве входных данных, называется входной ситуацией.
В [61] рассматриваются сети, в качестве узлов которых используются обобщённые состояния, совпадающие по формату с эталонными ситуациями (чаще всего - непосредственно эталонные ситуации). Такая однородность эталонных ситуаций и узлов сети в ряде случаев ограничивает возможности применения нечётких ситуационных сетей. Проблемы возникают в том случае, когда в качестве результата принятия решений невозможно указать некоторую эталонную ситуацию или совпадающее с ней по формату обобщённое состояние. В результате возникает необходимость введения типа сетей, в которых эталонные ситуации и узлы сети различаются по формату.
1. Таким образом, по тождественности узлов сети и эталонных ситуаций можно выделить явные сети (сети ситуаций) и косвенные сети (сети состояний).
В явной сети (сети ситуаций) в качестве узлов используются эталонные ситуации. Явная сеть применяется, когда наборы характеристик, используемых для анализа системы и для задания типовых ситуаций принятия решения, совпадают и представляются одинаковым образом. При этом есть возможность в качестве результатов применения управляющих решений указывать ситуации непосредственно.
В косвенной сети (сети состояний) в качестве узлов используются обобщённые состояния, не совпадающие с эталонными ситуациями по составу или способу представления системных характеристик. В этом случае сетевая структура обобщённых состояний и набор эталонных ситуаций существуют в виде двух обособленных структур. Роль эталонных ситуаций при этом сводится к обеспечению процесса построения сети за счёт привязки обобщённых состояний к тем или иным ситуациям принятия управляющего решения. Характерным примером является случай, когда решение принимается на основе ряда обобщённых системных характеристик, но отсутствует адекватная модель непосредственного отображения результата решения на данное множество характеристик. Вместо этого имеется способ расчёта характе ристик более низкого уровня, на основе которых уже можно определить текущую ситуацию.
2. По способу построения ситуационной сети можно выделить ста тические и динамические сети.
Статическая сеть формируется в виде графа до определения значений системных характеристик — исходных данных для конкретной задачи принятия решения. Данный тип сети применяется в случае, когда множество вариантов принятия решения является обозримым, сопоставимым с множеством узлов сети, не возникает затруднений в непосредственном указании переходов между узлами сети.
В случае построения динамической сети строится часть графовой структуры, начальным узлом которой является узел, ассоциированный с входными данными. Далее данный узел связывается переходами с узлами, соответствующими состояниям, в которые может перейти система в результате принятия управляющих решений. Затем после идентификации текущей ситуации процесс повторяется.
3. Дополнительные требования, накладываемые на ситуационную сеть в случае описания сложной организационно-технической системы, подразу мевают способность использования сети в случае изменения структуры управляемой системы. До сих пор эти вопросы не рассматривались. Сети привязывались к конкретной структуре управляемой системы. Введение ме ханизмов адаптации сети к изменению структуры управляемой системы по зволяет говорить о новом типе сети - сети с гибким способом получения зна чений ситуационных признаков. Таким образом, по способу адаптации мож но выделить типы ситуационных сетей с жёсткими и гибкими способами по лучения значений ситуационных признаков.
Сети с жёстким способом получения значений ситуационных признаков базируются на неизменном списке объектов и их характеристик. Применяются для систем, изменение структуры которых в обозримый период не происходит. В случае изменения структуры управляемой системы сеть приходится формировать заново полностью.
Для сетей с гибким способом получения значений ситуационных признаков структура ситуационных групп и способы получения значений, составляющих обобщённые состояния сети, таковы, что адаптация существующей сети к новым условиям не затрагивает сложившуюся структуру групп эталонных ситуаций. Можно предложить следующие разновидности сетей данного типа, соответствующих различным способам адаптации:
- агрегирующие сети, в которых ситуации задаются только на основе укрупнённых системных характеристик, агрегирующих характеристики отдельных объектов; характерны для задач, в которых масштаб принятия решений — система в целом;
- типизированные сети, в которых ситуации задаются относительно «некоторого экземпляра определённого типа объектов» и «примеряются» под каждый объект соответствующего типа; характерны для задач, когда масштаб принятия решения — управляемый объект, входящий в систему;
Структура комплексной методики создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей
Особенности использования нечёткого ситуационного подхода отражаются на всех этапах ППР от формулирования первоначальных требований до конечного применения выработанных решений и подразумевает необходимость разработки соответствующей комплексной методики создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей.
Комплексная методика создания и использования программных средств поддержки принятия решений на основе нечётких ситуационных сетей включает в себя следующие взаимосвязанные частные методики. 1. Методика анализа и формализации предметной области. 2. Методика построения НСС в соответствии с требованиями и характером задач ППР. 3. Методика применения сформированной НСС в задаче поддержки принятия решений. Рассмотрим более подробно эти методики.
Результаты методики анализа и формализации предметной области используются в двух аспектах при проектировании НСС. С одной стороны, на основе результатов предварительного анализа предметной области в виде обобщённых сведений о характере проблемы определяются требования к НСС и её тип. С другой стороны, дальнейший более детальный анализ предметной области с целью её формализации для создания действующей сети основывается на результатах проектирования. Результатами использования методики анализа и формализации предметной области являются: - выбранный тип НСС; - разработанный в соответствии с типом НСС способ описания системы; - способы обработки и использования экспертной информации при построении каждого из компонентов НСС.
Исходя из потребностей в информации для построения спроектированных компонентов НСС, проводятся дополнительные исследования управляемой системы, опрос экспертов, семантическое наполнение построенных моделей.
В методике анализа и формализации предметной области можно выделить две относительно независимые процедуры: - формализация для непосредственного формирования НСС; - формализация для формирования модели оценки управляющих решений.
Первая процедура включает в себя этапы: - определения состава, характеристик и отношений управляемой системы; - выделения аспектов рассмотрения системы, формирования иерархии эталонных ситуаций; - детальной проработки множества ситуационных признаков и терм-множеств соответствующих лингвистических переменных; - формализацию управляющих решений.
Вторая процедура включает в себя этапы: - формирования набора возможных стратегий оценки управляющих решений ЛПР; - формирования модели оценки состояний управляемой системы.
Этап формирования набора стратегий оценки управляющих решений позволяет настраивать процесс вывода по сети, исходя из предпочтений ЛПР. Предполагается, что оценка управляющих решений может быть проведена па основе оценки состояний системы, к которым они могут привести.
В свою очередь, этап формирования модели оценки состояний управляемой системы состоит из следующих шагов: - определение обобщённых критериев оценки состояния системы; - определение согласованности критериев оценки между собой; - определение стратегии совместной оценки критериев оценки экспертом в зависимости от их согласованности; - иерархическая детализация отдельных критериев оценки, определение правил оценивания по каждому отдельному критерию.
В результате процедур формализации предметной области должны быть получены адекватные знания о ней, сформулированные в виде, требуемом для описания и программной реализации компонентов НСС. Непосредственно в процессе формализации возможно уточнение требований к НСС и, как следствие, корректировка способов организации и описания различных её компонентов.
Методика построения НСС в соответствии с требованиями и характером задач ЛПР заключается в проектировании модели НСС, способов организации её компонентов, разработке алгоритмов их функционирования и использования.
Исходными данными для реализации указанных процедур являются обобщённые сведения о характере проблемы — характеристики предметной области и предполагаемый характер вырабатываемых решений. На основе исходных данных определяются требования к ситуационной сети, которые определяют её тип. В дальнейшем на основании выбранного типа сети формируются её компоненты (см. пункт 2.1.2). Основными результатами данной методики являются: - модель НСС; - модель оценки последовательностей управляющих решений; - способ описания и формализации предметной области в соответствии с выбранным типом НСС; - алгоритмы и инструкции по непосредственному применению НСС в ходе решения практических задач ПНР.
Таким образом, на основе результатов использования первых двух частных методик предложенной комплексной методики формируется нечёткая ситуационная сеть, настроенная в соответствии с формализованным описанием предметной области и предпочтениями ЛПР, и определяется способ её использования при решении задач НИР.
Данные результаты являются основой для реализации методики применения сформированной сети для выработки последовательностей управляющих решений, которая включает в себя процедуры подготовки запланированного управляющего решения и его применения.
Процедура подготовки запланированного управляющего решения состоит из ряда этапов, на первом из которых проводится «привязка» НСС к окружающей обстановке. Если на предыдущих этапах обеспечивается соответствие нечёткой ситуационной сети предметной области в целом, то теперь она адаптируется к условиям конкретной задачи ПГТР. Для этого проводится сбор и обработка актуальной информации, дополнение её априорными сведениями, которые не могут быть непосредственно определены ЛПР, а предоставляются ему взаимодействующими или вышестоящими элементами системы.
Структура системы поддержки принятия решения на основе нечётких ситуационных сетей
В соответствии с предложенными принципами построения программных средств ППР на основе НСС, в структуре данной СППР можно выделить следующие основные подсистемы и модули.
1. Подсистема управления процессом ППР — координирует процесс функционирования СППР, обеспечивает взаимодействие всех подсистем и модулей на основе общей платформы, представленной совокупностью классов и объектов, описывающих как сущности предложенного научно-методического аппарата, так и компоненты технологического обеспечения взаимодействия компонентов СППР.
2. Алгоритмическое ядро СППР - представляет собой программную реализацию способов и алгоритмов построения и использования НСС. В свою очередь, алгоритмическое ядро состоит из следующих компонентов: модель нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети; модель оценки состояний управляемой системы; операционный базис для нечётких вычислений.
Модель нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, представляемая в виде библиотеки программных функций, реализующих способы и алгоритмы построения сети и вывода по ней (в данном разделе далее рассмотрены основные алгоритмы, реализующие способы построения данного типа НСС и вывода по ней): - общий алгоритм построения НИССС; - алгоритм идентификации групп эталонных ситуаций; - алгоритм формирования списка действий относительно текущего состояния системы; - алгоритм применения вариантов результатов действий (порождающих вариантов); - алгоритм вывода по НИССС на основе оценок конечных состояний.
Модель оценки состояний управляемой системы представляет собой относительно автономный блок, область применения которого не ограничивается одним только выводом по сети (в данном разделе далее рассмотрен наиболее сложный алгоритм функционирования оценочной модели — алгоритм получения обобщённой оценки состояния управляемой системы на основе оценок по частным критериям оценки).
Операционный базис основных нечётких операций — набор программно реализованных функций, используемых для выполнения нечётких вычислений подсистемами и модулями СППР и реализующих: - арифметические операции над нечёткими числами; - арифметические операции над нечёткими вероятностями; - операции сравнения и идентификации.
К данным операциям предъявляются повышенные требования, так как от эффективности их реализации во многом зависит качество и оперативность выработки управляющих решений с использованием разрабатываемой СППР [52, 78].
3. Подсистема внешних интерфейсов, обеспечивающая взаимодействие СППР как с ЛПР, так и с внешней средой. В свою очередь, данная подсисте ма состоит из следующих модулей: - сбора информации - отвечает за взаимодействие с внешними датчиками и/или оператором ввода текущей обстановки; - интерпретации результатов вывода — представляет собой некоторую подсистему объяснения, представляющую результаты вывода по НСС в виде, пригодном для рассмотрения и оценки ЛПР; - выдачи управляющих воздействий - отвечает за передачу принятых управляющих решений по каналам связи и/или формирование непосредственных команд программным органам управления системой; - интерфейс эксперта — обеспечивает взаимодействие СППР с экспертом или группой экспертов на этапе формализации предметной области с целью наполнения базы знаний, при этом реализуются специфические способы формализации предметной области, регламентирующие вид и способы обработки принимаемой информации; - интерфейс ЛПР — обеспечивает взаимодействие СППР с конечным потребителем — руководителем, отвечающим за оперативное управление системой.
4. База знаний — формализованное, семантически наполненное описа ние предметной области, однозначно идентифицирующее управляемую сис тему и условия задачи ПНР. В данной составляющей СППР можно выделить следующие блоки. - непосредственно данные и метаданные в виде физической базы данных; - СУБД, оперирующая базой знаний и предоставляющая программный интерфейс доступа к данным. На рисунке 3.1 структура представлена структура СППР на основе нечётких ситуационных сетей (тонкими стрелками отмечена передача управления между подсистемами и модулями, жирными — передача информации).
Выбор способа реализации арифметических операций над нечёткими числами
Рассматриваемый алгоритм является составной частью общего алгоритма построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети. Пусть рассматривается некоторое текущее состояние системы в момент времени /, ассоциируемое с некоторым узлом сети w[ = (/, , ProZ/), входящим в уже построенный слой W : w] є W , где t меньше глубины построения сети TG. Основная задача рассматриваемого алгоритма - сформировать общий список действий Ag(Lf )(233). Для этого проводится идентификация иерар хической структуры групп эталонных ситуаций, после чего формируется ука занное множество действий в соответствии с (2.32). Однако алгоритм не сво дится к тривиальному перебору результатов идентификации. В том случае если t 0, рассматриваемый узел сети сам оказывается полученным из неко торого узла предыдущего слоя сети W l = (Uj ,Prob l) путём применения не которого порождающего варианта Vres, полученного на основе частного спи ска действий Ags: (Uj ,?rob }) Л Г"Т_, (U,Prob ). Если, согласно данному порождающему варианту к некоторому объекту о, в соответствии с аспектом рассмотрения Sy применяется некоторое продолжительное транзактное действие, которое ещё не завершено, то данный объект исключается из идентификации по аспекту Sv.
Вторым особым случаем является ситуация, когда рассматриваемый объект получен в результате незавершённого (или неограниченного по времени) прерываемого действия. Если указанное действие при этом оказывается среди допустимых для этого объекта, то оно должно быть продолжено.
В обоих случаях соответствующий элемент порождающего варианта будет сформирован специальным образом — с указанием уже применяемой функции результата, тривиальной единичной вероятностью и увеличенным на единицу значением времени с начала выполнения действия.
Входными данными для алгоритма являются: - узел сети, содержащий состояние управляемой системы, относительно которого происходит рассмотрение ситуаций; - порождающий вариант, посредством которого получен рассматриваемый узел; - структура групп эталонных ситуаций.
По результатам работы алгоритма определяются: - списки объектов (соотнесённых с аспектами рассмотрения системы), для которых элементы порождающих вариантов будут сформированы специальным образом. - списки объектов, для которых элементы порождающих вариантов будут сформированы обычным образом. - множества допустимых действий для объектов из второго списка. На рисунке 3.6 представлена схема алгоритма формирования списка допустимых действий относительно текущего состояния управляемой системы.
Алгоритм построения нечёткой иерархической ситуационно-событийной сети, разработанный в соответствии со способом её построения носит итерационный характер.
При построении сети вначале проводится инициализация её исходного состояния, заключающаяся в задании значений параметров всех объектов, составляющих управляемую систему. Соответствующая информация либо определяется на основе текущего состояния управляемой системы, либо в произвольном порядке, исходя из задачи моделирования. Результатом инициализации служит начальный (корневой) узел w = (/ ,Prob =ProbL), где U - начальное состояние модели, a Prob = {1 /1} - нечёткая вероятность, носитель которой совпадает с модой и равен {1}.
В последующем итерационно повторяется процесс порождения узлов нового слоя сети из узлов предыдущего слоя. При этом построение предыдущего слоя должно быть полностью завершено. Процесс построения сети завершается по получении слоя, соответствующего заданному моменту времени TG.
Базовым фрагментом алгоритма построения сети является процедура получения всех всевозможных потомков некоторого узла w[ = (U ,Prob ), входящего в уже построенный слой W : w] є W , где t меньше глубины построения сети TG. Данная процедура осуществляется в несколько этапов.
Первый этап — формирование списка допустимых действий (общего списка действий) Ag(U,) относительно состояния системы, соответствующего текущему узлу. Также по результатам первого этапа определяются два списка объектов. К первому списку относятся объекты, для которых формирование порождающих вариантов идёт обычным порядком (путём перебора сочетаний функций результатов). Они образуют список идентификации. Ко второму списку - списку исключений относят объекты, над которыми продолжается выполнение уже начатого действия, что влечёт специфический вид соответствующих элементов порождающих вариантов. Подробнее данный этап рассмотрен в подразделе 3.5.
Второй этап заключается в формировании частных списков действий Ags — групповых переходов, ставящих в соответствие каждому объекту первичного типа по каждой ситуационной группе ровно одно управляющее решение. Для объектов из списка идентификации данный этап представляет собой банальный перебор сочетаний элементов общего списка действий по соответствующим функциональным аспектам. Для объектов из списка исключений происходит копирование аналогичного элемента группового перехода, посредством которого был получен рассматриваемый узел.
Третий этап - формирование на основе каждого частного списка действий Ags j порождающих вариантов Vres ljk, которые каждому объекту первичного типа по каждой ситуационной группе ставят в соответствие ровно один вариант сочетаний функций-исходов, реализующих действия из Ags]j.
Напомним, что в соответствии с пунктом 2.2.5 элементы порождающих вариантов имеют вид: (Res,Prob,t ). Здесь (Res,Prob) —пара исход-вероятность - элемент лингвистической лотереи, соответствующей действию, указанному в Ags tJ для того же объекта, а V -явно выделенный параметр функции исхода Res, характеризующий время, прошедшее с начала её выполнения.
Элементы порождающих вариантов для объектов из списка идентификации имеют вид: (Res,Prob,Y)H формируются независимо от аналогичного элемента порождающего варианта, по которому получен рассматриваемый узел.
Для объектов из списка исключений вначале определяется соответствующий элемент родительского порождающего варианта — (Res ,Prob\t"). Соответствующий же элемент нового порождающего варианта принимает вид: (Res = Res ,Prob ,t = / +1). Здесь ProbK -{\1\}- вырожденная единичная вероятность.
Четвёртый этап - применение порождающих вариантов и формирование новых узлов сети. Данный этап заключается в последовательном применении функций-исходов к рассматриваемому состоянию системы и увеличению значения времени. Таким образом, определяется новое состояние системы, соответствующее новому узлу сети. Вероятность нахождения системы в данном состоянии определяется как произведение вероятностей по каждому элементу порождающего варианта.
