Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ
РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ 13
Обзор современного состояния разработок распределенных информационных систем 13
Анализ методов адаптации интерфейса к модели пользователя 17
Многоуровневые интерфейсы к моделям предметной области 20
Многоуровневый интерфейс 20
Интерфейсы на уровне физической модели 22
Интерфейсы на логическом уровне 23
Интерфейсы на концептуальном уровне 24
Интерфейсы на естественном языке 26
1.4. Многоагентный подход к построению информационных систем 29
Понятие программных агентов и многоагентных систем 29
Взаимодействие агентов и язык общения 33
Постановка задачи 34
Основные результаты и выводы 36
ГЛАВА 2. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
И МОДЕЛИ САМООРГАНИЗАЦИИ И АДАПТАЦИИ 38
Обобщенная функциональная модель информационной системы 38
Адаптивная модель пользователя 41
Интерфейс на физическом уровне 43
Интерфейс на уровне логической схемы базы данных 44
Интерфейс на уровне концептуальных схем 52
Интерфейс на естественном языке 54
Модель компоненты генерации высказываний 63
Модель многоагентной системы 66
Мониторинг состояния многоагентной системы 68
Оптимальное распределение запросов между параллельно функционирующими агентами 69
Основные результаты и выводы 72
ГЛАВА 3. АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМООРГАНИЗАЦИИ И АДАПТАЦИИ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ..74
Модель и алгоритм самоорганизации в открытой многоагентной системе ....74
Алгоритмы идентификации модели пользователя 81
Мониторинг 82
Алгоритм оптимального конструирования SQL запросов 91
Алгоритмы обработки запросов с помощью концептуальной схемы 95
3.6. Основные результаты и выводы 101
ГЛАВА 4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АДАПТИВНОЙ
САМООРГАНИЗУЮЩЕЙСЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ 102
4.1 Разработка системы дистанционного обучения по курсу психолингвистики ... 102
4.2 Применение многоагентной технологии для организации on-line доступа к
данным научных экспериментов по молекулярной биологии 107
Реализация многоагентной системы для on-line анализа и обработки многомерных данных по экспрессии генов 113
Реализация интерфейса на естественном языке к базам данных по молекулярной биологии 121
4.5. Разработка распределенной интеллектуальной системы управления
технологическим процессом .124
4.6. Основные результаты и выводы 129
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130
ЛИТЕРАТУРА 133
Приложение 1 . Акты внедрения 146
Приложение 2 . Пример процедуры диагностики на основе преобразования байесовской диагностической матрицы С и вектора вероятностей диагнозов Р в
диагностическую матрицу А 152
Приложение 3 . Пример получения диагнозов с использованием детерминированной
диагностической матрицы 154
Приложение 4 . Примеры распознавания групп слов в ЕЯ - запросе на основе
байесовской диагностической матрицы 155
Приложение 5 . Пример определения когнитивных стилей с использованием
байесовской диагностической матрицы 157
Приложение 6 . Примеры WEB - интерфейса запросов на уровнях естественного
языка, концептуальной и логической схем, SQL и RasQL 186
Приложение 7 . Примеры работы программы мониторинга информационной
системы "Mooshka" 191
Введение к работе
Актуальность проблемы
Интенсивное использование ИНТЕРНЕТ и ИНТРАНЕТ в различных отраслях, в том числе в промышленности, образовании и науке, выдвигает в число актуальных задач развитие информационных систем на основе принципов адаптивности, самоорганизации и многоагентного подхода.
Интенсификация развития промышленных, обучающих и научно-исследовательских информационных систем приводит к:
расширению состава пользователей, отличающихся профессиональными, психофизиологическими и языковыми характеристиками;
возрастанию актуальности задачи интеграции доступа к разнородным ресурсам, различающимся по степени структурированности;
необходимости сочетания минимальных времен обслуживания с гибкостью предоставляемых сервисов;
увеличению сложности информационных систем и необходимости обеспечения высокой степени готовности при возможных нарушениях в функционировании технического и программного обеспечения.
Одной из важнейших задач является интеграция разнородных информационных ресурсов и адаптация представления их пользователям с учетом профессиональных и психофизиологических характеристик. При этом специфической особенностью создаваемых информационных систем является многокомпонентность и гетерогенность, которая может быть эффективно реализована при помощи многоагентного подхода.
В настоящее время моделирование предметных областей подразумевает создание моделей на пользовательском, концептуальном, логическом и физическом уровнях. С увеличением объемов информации требуются новые подходы, которые позволяют сочетать эффективные методы доступа на всех перечисленных уровнях и гибкость системы на основе агентов источников ресурсов данных. Самоорганизация многоагентных информационных систем заключается в изменении и перестраивании
6 вычислительных структур без участия человека. Принцип адаптации реализуется в оптимальном распределении запросов между агентами с одной стороны и в учете параметров пользователя с другой.
В связи с тем, что в настоящее время не существует средств, решающих в комплексе вышеперечисленные проблемы, разработка алгоритмического и программного обеспечения многоагентных информационных систем на основе принципов адаптации и самоорганизации является актуальной задачей.
Актуальность задачи также подтверждается тем, что она вошла в состав научных исследований, поддержанных фондами РГНФ, РФФИ, NIH.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является создание многоагентных
информационных систем с элементами адаптации и самоорганизации, а также алгоритмов визуализации, трансформации и анализа информации на основе интеллектуальных программных агентов.
В качестве решаемых задач были выделены:
Разработка обобщенной функциональной модели многоагентной информационной системы (МИС) с элементами адаптации и самоорганизации для промышленности, дистанционного образования и научных исследований.
Разработка алгоритмического обеспечения самоорганизации и адаптации информационной системы, оптимального конструирования запросов к информационным массивам на логическом уровне, диагностирования когнитивной модели пользователя, состояний многоагентной системы и понятий в запросах на естественном языке на основе байесовской модели.
Программная реализация адаптивной самоорганизующейся информационной системы
Основным предметом исследований в данной работе являются многоагентные информационные системы, ориентированные на применение в отраслях промышленности, образования и науки.
Работа ориентирована на проведение исследований и создание методов, алгоритмов и программ, обеспечивающих функционирование многоагентных информационных систем на базе принципов адаптации и самоорганизации.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач в работе использовались понятия теории систем, теории графов, теории моделей, математического программирования, линейной алгебры, методов технической диагностики, принципы технологии баз знаний, концепций построения многоагентных систем, интеллектуальных систем, естественно-языковых интерфейсов.
Новые научные результаты.
1. Разработанная обобщенная функциональная модель многоагентной
информационной системы отличается введением в гибридную архитектуру
делиберативных и реактивных элементов адаптации, самоорганизации и
интеграции разнородных источников данных, что позволяет повысить
приспособленность существующих и разрабатываемых информационно-
управляющих систем к изменениям функциональности компонент,
информационных потребностей, модели предметной области,
профессиональным и психофизиологическим особенностям пользователей.
2. Разработанные модель и алгоритмы самоорганизации отличаются
междуагентным взаимодействием по протоколу HTTP, мониторингом
функционирования МИС; оптимальным по стоимости решением задачи
динамического распределения запросов в многоагентных системах на основе
использования нагрузочных характеристик агентов, что позволяет получить
лучшие результаты по сравнению с «KpyroBbiM»(Round-Robin) алгоритмом,
применяемым в CORBA ODMG и алгоритмами RMI, в которых учитывается
только степень загрузки вычислительной системы;
Разработанный метод многоуровневого доступа к данным на основе агентов отличается возможностью параллельного решения задач в режиме реального времени и адаптации к изменениям с предварительным преобразованием байесовской модели в матричную форму, что позволяет повысить вычислительную эффективность диагностирования когнитивной модели пользователя, состояний многоагентной системы и распознавания многословных понятий в запросах на естественном языке
Разработанная методика визуального конструирования запросов с использованием концептуальных и логических схем отличается возможностью использования в режиме on-line, автоматическим преобразованием ЕЯ запросов с терминами концептуального уровня в запросы с терминами логического уровня модели данных, что позволяет генерировать оптимальные по времени выполнения SQL запросы.
Практическая значимость.
Предложенные модель и алгоритм самоорганизации на основе мониторинга состояния распределенных многоагентных информационных систем обеспечивает основу для управления процессом информационного обслуживания в реальном времени для достижения оптимальных характеристик: готовности, времени реакции, достоверности и информационной полноты.
Разработанный алгоритм взаимодействия и обучения агентов, реализующий методы оптимизации нагрузок, ситуационного управления и продукционного вывода, позволяет осуществлять планирование информационного обслуживания с учетом временных ограничений
Разработанная модель и алгоритм оптимизации нагрузок в многоагентной системе позволяет комплексно учитывать динамику ее функционирования, включая изменение состава и взаимосвязей, характеристик среды функционирования.
Предложенный алгоритм параллельного информационного поиска на основе естественного языка, концептуальной и логической моделей предметной области обеспечивает повышение релевантности и реактивности ответов на запросы.
9 Разработанный алгоритм адаптации интерфейса к психофизиологическим параметрам пользователя позволяет гибко настраивать МИС, создавать комфортную среду сеанса работы, повышая эффективность работы систем.
Внедрение результатов работы.
Разработанные в диссертационной работе методы и алгоритмы использованы в
автоматизированной системе технической диагностики комрессорной линии
газлифтной компрессорной станции КС-ЦГТП/0.6-12 (1990 год), при разработке
комплекса технических средств микропроцессорного А705-15-09М для
автоматизации газоперекачивающих агрегатов ГПА-Ц-16 (1987 год), в информационной системе "Flyex" для научных исследований по молекулярной биологии в рамках гранта института здоровья США 2 R01 RR07801-11 (2001 год).
Разработанные методы многоуровневого доступа использованы в информационной системе "Mooshka" с многомерной базой данных по молекулярной биологии в рамках гранта Комиссии ЕС 1ST-1999-11009 (2001 год).
Разработанный программный инструментарий ПЕГАС-ГРАНТ применяется в системе дистанционного обучения по курсу психолингвистики, разработанной при поддержке грантов РФФИ (98-01-00081) и РГНФ (97-04-12035в) в лаборатории Интеллектуальных Систем Института Высокопроизводительных Вычислений и Баз Данных (2000 год).
Документы, подтверждающие внедрение, приведены в приложении.
Апробация работы.
Теоретические и практические результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
Конференция "Разработка и внедрение микропроцессорных комплексов в народном хозяйстве", 1985 г. - Одесса.
Конференция " Разработка и внедрение микропроцессорных комплексов в народном хозяйстве", 1986 г. - Севастополь.
Всесоюзная конференция "Автоматизация, интенсификация, интеграция процессов технологии и микроэлектроники", 1989 г. - Ленинград.
Всесоюзный научно-практический семинар "Интеллектуальное программное обеспечение ЭВМ", 1990 г. - Ростов-на-Дону.
2 съезд Советской Ассоциации Искусственного Интеллекта (САИИ) (теперь Ассоциации Искусственного Интеллекта), 1991 г. - Коломна.
Третий международный симпозиум "Интеллектуальные системы" (ИНТЕЛС98), 1998 г. - Псков.
Международный семинар "Диалог'99" по компьютерной лингвистике и ее приложениям, 1999 г. - Таруса.
Конференция "Научный сервис в сети Интернет", 1999 г. - Гурзуф.
Международная конференция "GCB 2000" "Proceedings of the GERMAN CONFERENCE ON BIOINFORMATICS", 2000 r. - Heidelberg.
Международный семинар "Диалог-2001", 2001 г. - Москва.
Международная научно-методическая конференция "Телематика'2001", 2001 г. - Санкт-Петербург.
Всесоюзная объединенная конференция "Технологии информационного общества - Интернет и Современное Общество", 2000 г., 2001 г. - Санкт-Петербург.
13.Всероссийская научная конференция "Научный сервис в сети Интернет", 2001 г. - Новороссийск.
14. Международная конференция "42-nd Annual Drosophila Research Conference", 2001 г. - Вашингтон.
15.Международная конференция "ISMB-2002", 2002 г. - Toronto.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 30 печатных работ.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 137 наименований и приложения. Основная часть работы изложена на 132 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 3 таблицы.
11 Краткое содержание работы.
В первой главе проводится анализ современных тенденций работ по созданию информационных систем на основе многоагентного подхода для промышленности, науки и образования. С целью определения перспективных направлений в этой области приводятся примеры существующих систем, проводится анализ их функциональных возможностей. Поскольку одним из основных вопросов является проектирование распределенных многоагентных информационных систем в сети ИНТЕРНЕТ, проводится обзор методов организации взаимодействия агентов, их анализ. Рассматривается вопрос повышения эффективности систем на основе адаптация к модели пользователя с учетом психофизиологических характеристик, -когнитивных стилей, уровня знаний и профессиональной подготовки. Показано, что особая роль отводится разработке семантических интерфейсов. Ставится задача разработки многоагентной информационной системы с элементами самоорганизации и адаптации.
Во второй главе определяется концепция создания открытой информационной
системы с элементами адаптации и самоорганизации на основе многоагентного
подхода. Исследуются модели и методы формирования адаптивной модели
пользователя. Предлагается система моделей для психофизиологического
тестирования. Проводится исследование модели многоуровневого доступа к данным.
Определяются методы построения семантических интерфейсов с произвольными
запросами на естественном языке на уровнях концептуальной и логической моделей
предметной области. Проводится исследование моделей оптимизации
взаимодействий МИС. Сформированы модели и методы мониторинга
информационных систем. Определяются модели и методы для оптимизации выполнения запросов в многоагентных системах.
В третьей главе разработаны методы и алгоритмы самоорганизации МИС, которые задают последовательность взаимодействия агентов. Разработан язык программирования агентов для мониторинга функционирования МИС. С целью обеспечения адаптации агентов разработаны алгоритмы идентификации . модели пользователя. Для решения задач построения адаптивных визуальных интерфейсов разработано алгоритмическое обеспечение программного инструментария ПЕГАС-
ГРАНТ. Для обработки запросов на естественном языке разработаны алгоритмы. Разработан метод оптимального конструирования запросов на основе теории графов.
В четвертой главе предложена многоагентная архитектура самоорганизующейся адаптивной информационной системы. Разработаны программные агенты адаптивного интерфейса пользователя, фильтрации информации, доступа к распределенным БД, информационного поиска и мета - поиска, координации взаимодействий. Разработан программный инструментарий ПЕГАС-ГРАНТ для визуального проектирования моделей предметной области, программирования агентов адаптивных интерфейсов, мониторинга функционирования МИС. Разработана интеллектуальная подсистема идентификации параметров модели пользователя. Приведены примеры применения методики проектирования многоагентных информационных систем с элементами самоорганизации и адаптации в областях промышленности, науки и образования.
В заключении даются выводы по работе.
В приложении приведены акты внедрения.
