Введение к работе
Актуальность темы Современные условия характеризуются возрастанием сложности процессов, происходящих в социально-экономических, организационно-технических системах Появляется все больше проблем и задач, которые не решаются с помощью формальных математических методов, основанных на точном и адекватном описании проблемных ситуаций, анализе и выработке механизма управления. Такие задачи характеризуются большим числом влияющих факторов, неопределенностью, нечеткостью данных об объекте управления, размытостью и быстрым изменением целей Внешняя среда для этих систем все более приобретает свойства нестабильности и неопределенности Нестабильность проявляется в том, что темпы изменения внешней среды растут, а неопределенность - в том, что возникающие ситуации все чаще становятся совершенно новыми Доступ к информации для принятия управленческих решений часто затруднен. Основные этапы исследования таких систем - построение модели, ее анализ, интерпретация результатов и принятие решений -сопряжены с серьезными трудностями
В настоящее время все большее значение приобретают такие направления научно-технических исследований, как экспертные системы, системы поддержки принятия решений (СППР), интеллектуальные системы, методы и технологии интеллектуального анализа данных Они основываются на работах таких отечественных и зарубежных ученых, как Глушков В М, Амосов Н А., Поспелов Д А, Винер Н, Минский М, Ларичев О И, Лорьер Ж -Л, Розенблатт Ф , Попов Э В., Осипов Г С, Загоруйко Н Г , Хорошевский В Ф , Кузнецов О П., Фоминых И. Б , Вагин В. Н, Топорков В В , Еремеев А П., Фролов А. Б , Галушкин А И,АверкинА Н, Тарасов В Б
В условиях неопределенности проблемной ситуации, неточности исходных данных наиболее адекватным представляется использование подхода, основанного на теории нечетких множеств, нечеткой логике, нечеткой математике Этот подход был предложен и развит в работах таких ученых, как Заде Л, Дюбуа Д., Прад А, Мамдани В., Мелихов А Н., Борисов А Н, Кофман А
Среди подходов к анализу сложных проблемно-целевых систем особенно актуальным в настоящее время представляется использование когнитивных карт, развитое в трудах таких ученых, как Толмен Дж, Роберте Ф С , Максимов В И, Коско Б , Силов В Б , Трахтенгерц Э А
Когнитивная карта сложной системы (проблемы) представляется направленным графом, вершины которого - концепты - представляют системные переменные, а дуги - отношения причинности между концептами Преимущества когнитивного подхода заключаются в простоте, наглядности модели Представление связей модели з терминах причинно-следственных отношений или отношений влияния является интуитивно понятным для эксперта и пользователя и может служить эффективным средством представления базы знаний о предметной области Вместе с тем, когнитивная карта позволяет решать основные зада-
чи системного анализа анализ динамики, факторный анализ, оценка достижимости цели, поиск стратегии управления
Когнитивные карты применяются во многих предметных областях в системах поддержки принятия решений при анализе сложных проблем, в управлении производством и сложными организационно-техническими системами, в информационных технологиях, анализе схем, диагностике неисправностей
Разработка методологии построения и анализа сложных систем, основанной на соединении когнитивного моделирования и теории нечетких множеств в рамках концепции «мягких» вычислений (Soft Computing), позволяет сочетать преимущества обоих подходов
Вместе с тем, несмотря на активные исследования в рассмотренных областях, вопросы методологии, построения, анализа и применения нечетких когнитивных карт развиты недостаточно Термин «нечеткие когнитивные карты», используемый в ряде работ, не отражает реального соединения этих подходов Составляющие компоненты этих моделей содержат лишь элементы подхода, основанного на теории нечетких множеств. Не существует развитой теории нечетких вычислений, основанной на принципе расширения Л Заде Теория и практика применения нечетких множеств в когнитивных картах не ориентирована на рекурсивные вычисления, характерные для сложных систем с обратными связями Основной подход к использованию моделей, основанных на применении нечетких множеств, включает процедуру дефаззификации, означающую переход к традиционным «четким» алгоритмам обработки и не позволяющую сохранить полностью нечеткую исходную информацию на всех этапах моделирования Отсутствует концепция построения программных средств СППР на основе нечетких когнитивных карт Не разработаны методики оценки эффективности и качества способов организации и программных средств реализации нечетких вычислений для когнитивных карт.
Таким образом, в рассматриваемой предметной области существует противоречие между требуемым и достигнутым в настоящее время уровнями адекватности, эффективности и результативности моделей, методов и программных средств обработки нечеткой информации в системах поддержки принятия решений на основе когнитивных карт
Это противоречие обуславливает научную проблему разработки теории, моделей, методов и программных средств обработки нечеткой информации в системах поддержки принятия решений на основе когнитивных карт
Целью диссертационной работы является развитие теории нечетких когнитивных карт, разработка моделей, методов и программных средств обработки нечеткой информации в системах поддержки принятия решений на основе нечетких когнитивных карт, позволяющее повысить эффективность и качество процессов обработки знаний в компьютерных системах
Для достижения указанной цели в работе необходимо решить следующие научные задачи
1 Анализ существующих моделей когнитивных карт, задач и способов обработки информации на их основе
2 Анализ основных функций, задач и архитектур СППР на основе когни
тивных карт.
3 Анализ существующих способов обработки нечеткой информации,
ориентированных на использование в СППР на основе когнитивных карт.
4. Разработка и исследование новых моделей нечетких когнитивных карт, основанных на максимально полном нечетком представлении значений концептов и отношений между ними.
5 Создание методов нечеткого когнитивного моделирования, способов и программных средств их реализации для использования в СППР при выработке управляющих решений
6. Анализ подходов к оценке и выбору альтернатив решений в нечетких условиях Разработка нечетких оценочных моделей, учитывающих различную степень согласованности частных целей с общей.
Разработка концепции построения программных средств СППР на основе нечетких когнитивных карт Создание программной библиотеки функций СППР на основе нечетких когнитивных карт
Разработка и реализация методики оценки эффективности и качества способов организации и алгоритмов реализации нечетких вычислений в СППР на основе когнитивных карт
Разработка методики применения СППР на основе нечетких когнитивных карт в различных предметных областях
В ходе работы над диссертацией были использованы следующие методы исследований, методы анализа и проектирования алгоритмов и программ, методы системного анализа, теории принятия решений, теории множеств и нечетких множеств, нечетких систем и нечеткого логического вывода, методы когнитивного и имитационного моделирования
Обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, определяется корректным применением использованных методов исследования
Достоверность теоретических разработок подтверждена данными компьютерного моделирования, апробацией основных результатов на конференциях и их практическим внедрением, результаты которого позволяют сделать вывод об адекватности разработанных моделей, методов и программных средств
Объектом исследований являются системы поддержки принятия решений на основе нечетких когнитивных карт
Предметом исследований являются модели, методы и программные средства обработки нечеткой информации в системах поддержки принятия решений на основе когнитивных карт
Научная новизна работы заключается в следующем
1 Проведено теоретическое обобщение и разработаны новые классы моделей когнитивных карт - нечеткие реляционные когнитивные карты и нечеткие лингвистические когнитивные карты, отличающиеся максимально полным нечетким представлением элементов модели базы знаний предметной области в СППР и позволяющие реализовать полностью нечеткий подход к ана-
лизу, моделированию и принятию решений в условиях сложности и неопределенности проблем и процессов.
Предложены новые методы, алгоритмы и программные средства анализа динамического поведения нечетких реляционных когнитивных карт и нечетких лингвистических когнитивных карт, основанные на использовании нечетких вычислений и дефаззификации промежуточных результатов
Разработан новый алгоритм нечеткого логического вывода, базирующийся на представлении проблемно-целевых ситуаций в виде нечетких когнитивных карт и реализующий гибкий механизм согласования целей
Разработан алгебраический метод анализа нечетких реляционных когнитивных карт, основанный на операциях над нечеткими множествами и отношениями, обладающими требуемыми свойствами, и позволяющий сохранять полностью нечеткую информацию на всех этапах вычислений
Предложены способы, алгоритмы и программные средства анализа нечегких реляционных когнитивных карт, основанные на выборе и проектировании операционного базиса в соответствии с требуемым составом свойств
Разработана методика оценки эффективности способов анализа и алгоритмов реализации нечетких вычислений для когнитивных карт, учитывающая состав требуемых свойств и нечеткое соответствие критериям оценки.
7. Предложены новые операции нечеткой арифметики, основанные на взаимодействии нечетких чисел по модальным значениям и обладающие свойством устойчивости к возрастанию неопределенности
Предложена новая операция агрегирования нечетких чисел, обладающая свойствами ассоциативности, ограниченности, устойчивости к возрастанию неопределенности
Разработана концепция построения программных средств СППР, учитывающая особенности представления базы знаний о предметной области на основе нечетких когнитивных карт и обеспечивающая эффективную реализацию процедур обработки знаний для поддержки принятия решений
Доказан ряд теорем, математически обосновывающих свойства разработанных операций, методов и алгоритмов
Разработанные модели, методы и их математическое обоснование представляют собой развитие теории СППР на основе нечетких когнитивных карт Практическую значимость работы составляют
Разработанная библиотека функций СППР на основе нечетких когнитивных карт, позволяющая проводить практические исследования сложных систем и процессов с целью выработки и оценки управляющих решений
Методическое обеспечение практического применения разработанной программной библиотеки функций в различных предметных областях
Научно-технические решения и практические рекомендации, полученные на основе практического применения разработанной библиотеки функций в различных предметных областях
Методика оценки эффективности и качества способов организации и алгоритмов реализации вычислений над нечеткими множествами и отношениями.
На защиту выносятся:
Классы моделей нечетких реляционных и нечетких лингвистических когнитивных карт, основанные на максимально полном нечетком представлении значений концептов и отношений между ними в системах поддержки принятия решений
Методы и алгоритмы имитационного анализа динамического поведения нечетких когнитивных карт, основанные на операциях над нечеткими множествами и отношениями
Алгоритм нечеткого логического вывода для оценки достижимости общей цели при различной степени согласованности частных целей с общей
Алгебраический метод анализа нечеткой когнитивной карты, основанный на матричных и векторно-матричных операциях
Способы, алгоритмы и программные средства реализации алгебраического метола анализа нечетких когнитивных реляционных карт, позволяющие проектировать нечеткий операционный базис с учетом требуемых свойств модели
Концепция построения программных средств СППР на основе нечетких когнитивных карт
Методика оценки эффективности и качества способов организации и алгоритмов реализации нечетких вычислений для когнитивных карт, учитывающая состав требуемых свойств и нечеткое соответствие критериям оценки.
Квалификационная характеристика работы Диссертация классифицируется как решение крупной научной проблемы развития теории нечетких когнитивных карт, разработки моделей, методов и программных средств обработки нечеткой информации в системах поддержки принятия решений на основе когнитивных карт
Реализация результатов работы.
Результаты работы нашли существенное отражение в реализации «Программы информатизации Смоленской области» на период с 1997 по 2005 гг Они были использованы при создании интегрированной системы информационного обеспечения и взаимодействия органов государственной власти, органов местного самоуправления, предприятий и организаций для формирования единого информационного пространства Смоленской области в рамках следующих хоздоговорных НИР «Организация связи объектов электронной карты с внешними атрибутивными базами данных», 1999 г, «Разработка проекта муниципальной геоинформационной системы (МГИС) г Смоленска», 2000 г, «Создание слоя автомобильных дорог общего пользования в областной геоинформационной системе», 2000 г, «Создание слоя объектов землепользования в геоинформационной системе», 2000 г, «Разработка геоинформационной системы анализа инфраструктуры Смоленской области», 2001 г, «Разработка Ин-тернет/Интранет-подсистемы геоинформационной системы анализа инфраструктуры Смоленской области», 2002 г
Теоретические и практические результаты работы были использованы при реализации следующих госбюджетных НИР «Разработка программно-технической базы для построения региональной сети сбора первичной стати-
стической информации ИАС» (проект Минобразования РФ, код проекта 3.4 4(29 8) 123.183, 2001 г); «Разработка методик аналитической обработки информации по энергосбережению, программного пакета типовых расчетных приложений и средств генерации отчетов» (проект Минобразования РФ, код проекта 3 4 4(29 9)123 180, 2001 г), «Исследование и разработка ассоциативных сред и систем распределенного хранения и параллельной обработки информации и знаний» (грант Президента РФ, 2002 і ); «Математические методы, искусственный интеллект, математическое моделирование, информационные системы, информационные технологии» (грант РФФИ, 2002 г ), «Ассоциативные среды и системы хранения и обработки информации» (грант Минпромнауки РФ, 2003 г), «Исследование и разработка методик реализации программного обеспечения генерации отчетов для системы мониторинга использования средств федерального бюджета в подведомственных учреждениях» (ГНИЙ ИТТ «Информатика», г Москва, 2003 г )
Результаты работы были использованы в следующих хоздоговорных НИР «Разработка АРМ структурных подразделений территориальных управлений госэнергонадзора» (2002 г), «Разработка программных средств и баз данных системы сбора отчетов организаций профессионально-технического образования» (2002 г ), «Разработка технологии реализации отдельных компонентов функциональной подсистемы «Мониторинг использования средств федерального бюджета в подведомственных учреждениях»» (2004 г ), «Разработка методик реализации элементов информационно-аналитической системы сопровождения контрактов и мониторинга выполнения НИР» (2004 г.), «Разработка методик реализации элементов функциональных подсистем формирования проекта сметы расходов и мониторинга финансирования федеральных целевых программ» (2004 г), «Разработка технологической платформы и регламентов информационного обмена функциональных подсистем ИАС «Учет и контроль потребления ТЭР» уровня учебного заведения» (2005 г); «Разработка структуры и пилотной версии программных средств подсистемы экспорта/импорта данных из функциональных подсистем» (2005 г.), «Исследование и разработка методики обработки тепловизионных изображений с учетом гидродинамики воздушных потоков» (2005 г ), «Исследование и разработка методики создания средств генерации отчетной документации по произвольным формам» (2005 г), «Исследование и разработка методик и технологий обеспечения коллективной работы пользователей для информационной системы текущего финансирования образовательных учреждений» (2005 г ), «Разработка специализированной базы данных «Реестр поднадзорных организаций Управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по городу Москве» (2005 г), «Разработка элементов системы планирования финансирования федеральных государственных образовательных учреждений профессионального образования (на примере образовательных учреждений, подведомственных Рособразованию)» (2006 г), «Разработка методики выявления объектов нерационального энергопользования и оценки целесообразности первоочередной реализации энергосберегающих мероприятий» (2006 г)
Теоретические и практические результаты работы используются в учебном процессе филиала государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский энергетический институт (технический университет)» в г Смоленске, Военной академии войсковой ПВО ВС РФ (г. Смоленск)
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах школа-семинар «Статистические методы обработки сигналов и изображений», (Новороссийск, 1991), Научно-практическая конференция, посвященная 30-летию СФ МЭИ, (Смоленск, 1991), Научно-практическая конференция, посвященная 35-летию СФ МЭИ, (Смоленск, 1996), Научно-техническая конференция, посвященная 40-летию СФМЭИ, (Смоленск, 2001), 6-12 Военно-научные конференции В А войсковой ПВО ВС РФ, (Смоленск, 1998-2004), 2 и 3 Научно-практические конференции «Создание единого информационного пространства Смоленской области», (Смоленск, 2000, 2001), 4-9 Специализированные выставки-семинары «Компьютерные и телекоммуникационные технологии», (Смоленск, 2001-2006), Международные конференции «Системы компьютерной математики и их приложения», (Смоленск, 2001-2004) Международная конференция «Информационные средства и технологии», (Москва, 2001); Международная конференция ММИИС-2002 «Математические методы в интеллектуальных информационных системах» (Смоленск, 2002), Международный конгресс «Безопасность и охрана труда 2002», (Москва, 2002), 7-я Международная конференция PRIA-7-2004 «Распознавание образов и анализ изображений- новые информационные технологии», (Санкт-Петербург, 2004); ICONIP-2004 11th International Conference on Neural Information Processing, Calcutta, India, 2004, ICENCO'2004 1st International Computer Engineering Conference «New Technologies for the Information Society» Cairo, EGYPT, 2004
Публикации. По тематике диссертации автором опубликовано 57 печатных трудов (в том числе 3 монографии), из них 15 - без соавторов Среди них 21 работа опубликована в ведущих рецензируемых журналах и изданиях, в том числе 10 - в журналах из перечня ВАК Свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ - 2
В автореферате приведено 29 публикаций, наиболее полно отражающих содержание диссертационной работы
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 162 наименования Диссертация содержит 323 страницы машинописного текста, 65 рисунков, 13 таблиц, приложение
